WO2024068223A1 - Verfahren zum betrieb eines fahrzeugs mit einem brennstoffzellensystem, sowie brennstoffzellensystem für selbiges - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines fahrzeugs mit einem brennstoffzellensystem, sowie brennstoffzellensystem für selbiges Download PDF

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cell system
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Janik RICKE
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a vehicle, in particular a commercial vehicle, with a fuel cell system, wherein the fuel cell system has a cathode-side flow path that is fluidly connected to the environment for transporting air from the environment (U) to the fuel cell system and for transporting a cathode exhaust gas from the fuel cell system into the environment (U), and a fluid-conducting component that is fluidly connected to the cathode-side flow path and is designed to absorb accumulations of condensate from the air or the cathode exhaust gas, and the vehicle has a compressed air supply that is independent of the fuel cell system and is designed to provide dry compressed air.
  • the cathode exhaust gas After passing through the fuel cell, the cathode exhaust gas contains a mixture of water and air, in which both drop-shaped Water, as well as water bound in the air with a high degree of saturation. Before passing through the fuel cell of the fuel cell system, there may also be moisture in the ambient air that enters the cathode-side flow path.
  • the air and/or the cathode exhaust gas When the air and/or the cathode exhaust gas are transported through the flow path, the air and/or the cathode exhaust gas can cool down during operation of the fuel cell system, but especially after operation, causing water to condense out. A drop in pressure in the flow path also leads to water condensing out of the air or the cathode exhaust gas.
  • a fluid-carrying component is designed to absorb accumulations of condensate from the air or the cathode gas, this is to be understood that the components also have areas in which condensate can collect, even unintentionally due to spatial or technical requirements, and in this sense is absorbed by the component.
  • the invention was based on the object of overcoming the disadvantages described above as far as possible in a method of the type described at the outset.
  • the invention was based on the object of specifying a method which enables more reliable drying of the fluid-carrying components of the fuel cell system.
  • the invention solves this problem by proposing a method according to claim 1.
  • the method includes a step of blowing the compressed air into the cathode-side flow path by means of the compressed air supply, such that the compressed air flows through the fluid-carrying component and existing air and / or existing cathode exhaust gas and / or condensate from the fluid-carrying component in the direction the environment is suppressed.
  • compressed air which, according to ISO 8573-1:2010, is in class 6 or better, preferably in class 4 or better.
  • the invention is based on the knowledge that in the prior art there is still moisture in the air driven through the fuel cell by means of the compressor after operation, which condenses as a result of external influences, especially cooling of the system and/or the environment and can accumulate at the appropriate points in the fluid-carrying components.
  • the invention starts here and takes advantage of the fact that in the (commercial) vehicle in which the method described above is used, a compressed air supply with dry compressed air is already present because, for example, for a brake system and / or an air suspension of the (Commercial) vehicle is required.
  • the invention proposes to use the already technically prepared dry compressed air from the compressed air supply instead of the air that could be provided by a possible compressor arrangement of the fuel cell system, and which always brings a certain residual moisture from the environment into the system, and to use this in the Blow in the flow path in such a way that the moisture in the air or the cathode exhaust gas that is still in the system is driven out, and any accumulations of condensate located within the fuel cell system are entrained and driven out of the system.
  • the invention takes advantage of the fact that the compressed air supply of the commercial vehicle is anyway designed to provide compressed air at an operating pressure that is significantly higher than the pressure that any compressor arrangements of the fuel cell system would provide, and that this is already available in sufficiently high mass flows without additional pressurization can be blown into the flow path to ensure that the condensate accumulations are entrained.
  • the necessary operating parameters of pressure and mass flow can be determined empirically in simple preliminary tests, and the amount of dry compressed air to be injected can be calibrated in a generally known manner.
  • the invention thus proposes a solution that can be used for all fluid-carrying components of the fuel cell system, provided that the respective fluid-carrying component can be structurally reached using compressed air lines.
  • the invention makes it possible, and in preferred embodiments, provides for removing moisture from one or more fluid-carrying components simultaneously or one after the other by blowing in compressed air.
  • the method includes the step of putting the fluid-carrying component into operation, the step of blowing in the dry compressed air being started before or at the same time as the start-up.
  • the compressed air supply is designed to provide dry compressed air at an operating pressure of 8.0 bar or more
  • the method comprises the step of reducing the pressure for blowing in to an injection pressure of 6.0 bar or less, preferably in a range of 3.0 bar to 5.5 bar. It has been found that, compared to the operating pressure that the compressed air supply usually provides, which is regularly above 8.0 bar, reducing the pressure results in better moisture and particle removal. In particular, blowing in is carried out at this reduced injection pressure and at the same time at the maximum available volume flow at the injection pressure in order to achieve the highest possible entrainment effect.
  • the step of blowing in the dry compressed air is started and completed before the fluid-carrying component is put into operation. This can ensure that the operation of the fuel cell system is free of impairments caused by humidity or condensate.
  • the method additionally comprises a step of decommissioning the fluid-carrying component, wherein the step of blowing in the compressed air is started after or at the same time as the decommissioning.
  • the step of blowing in the dry compressed air it may be advantageous to carry out the step of blowing in the dry compressed air as soon as possible after the fluid-carrying component is decommissioned or immediately when the fluid-carrying component is decommissioned.
  • the invention can also be used to advantage if a certain amount of time is waited before blowing in the compressed air and after the fluid-carrying component is shut down so that the system can cool down to a certain extent. This also prevents the blowing in of the dry compressed air into the cathode-side flow path from having a negative effect on the operation of the fuel cell system.
  • the step of blowing in dry compressed air after deactivating the fluid-carrying component is additionally carried out in a method which also includes blowing in dry compressed air before putting the fluid-carrying component into operation.
  • the step of blowing in the dry compressed air is carried out for a predetermined flushing time, which is preferably in a range of five seconds or longer, more preferably in a range of ten seconds or longer, and particularly preferably in a range of 15 seconds or longer.
  • the preferred ranges described above are limited upwards by a maximum rinsing time of 30 seconds or less.
  • the flushing time is no longer than 20 seconds. It has been found that after the aforementioned flushing times have elapsed, there is no residual moisture or only such a low residual moisture in the system that any adverse effect on the operation of the fuel cell system is reliably excluded.
  • the fluid-carrying component has an expander stage of a compressor arrangement of the fuel cell system, which preferably has an expander chamber and/or an expander wheel.
  • the fluid-carrying component has an air bearing arrangement of a compressor arrangement of the fuel cell system, which preferably has one or more air bearings that are fluidically connected to the expander stage.
  • the fluid-carrying component has a condensate separator of the fuel cell system.
  • the condensate separator is preferably arranged in the cathode-side flow path of the cathode exhaust gas, for example downstream of the fuel cell, but upstream of an expander stage.
  • the condensate separator also called a droplet separator, can at least remove the drops of the water content present from the cathode exhaust gas. Blowing compressed air into the condensate separator improves and accelerates the removal of moisture from that component, just as from the other aforementioned components. Here, too, the risk of damage in winter due to freezing is advantageously reduced.
  • the fluid-carrying component has a compressor stage of a compressor arrangement of the fuel cell system, which preferably has an expander chamber and/or an expander wheel.
  • the compressor stage preferably has corresponding outlet bores that can be opened during blowing in and closed during operation of the fuel cell system.
  • the compressed air supply is assigned to a pneumatic braking system of the vehicle, in particular a multi-circuit braking system.
  • the compressed air supply is preferably connected to an auxiliary consumer circuit of the braking system.
  • the invention further relates to a fuel cell system for driving a vehicle, in particular a commercial vehicle, which has a compressed air supply that is independent of the fuel cell system and is designed to provide dry compressed air, wherein the fuel cell system has a cathode-side flow path that is fluidly connected to the environment for transporting air from the environment to the fuel cell system and for transporting a cathode exhaust gas from the fuel cell system to the environment, and a fluid-conducting component that is fluidly connected to the flow path and is designed to absorb accumulations of condensate from the air or the cathode gas.
  • the invention solves the problem already described at the beginning of the method also in a fuel cell system of the aforementioned type, in that the fuel cell system has a valve arrangement which can be switched back and forth between a blocking position and a release position, the valve arrangement in the release position being fluid-conducting with the cathode-side flow path is connected and is set up, in the release position, to connect the compressed air supply for blowing compressed air into the cathode-side flow path with the flow path in such a way that the compressed air flows through the fluid-carrying component and existing air or existing cathode exhaust gas and / or condensate from the fluid-carrying component is displaced towards the surroundings.
  • the invention makes use of the same advantages as the method according to the invention of the first aspect.
  • Preferred embodiments of the method are at the same time preferred embodiments of the fuel cell system of the second aspect and vice versa, which is why, to avoid repetition, reference is also made to the above statements and to the following statements to the fuel cell system regarding the preferred embodiments of the method.
  • valve arrangement can be controlled and is set up to be connected to a control device in a signal-conducting manner, the control device preferably being designed as a brake control device or trailer brake control device.
  • the control device is preferably constructed in a generally known manner, i.e. H. it has processor means and one or more data memories and is set up to at least partially carry out the method according to the invention.
  • the control device is set up to control the injection of compressed air into the cathode-side flow path in the method of the first aspect by controlling the valve arrangement.
  • the valve arrangement can be controlled pneumatically, electrically, electro-pneumatically or hydraulically.
  • the valve arrangement can comprise one or more controllable single-way or multi-way valves.
  • the valve arrangement is designed to control one or more of these valves simultaneously or individually in order to free the fluid-carrying components that are each fluidly connected to the valves of the valve arrangement from moisture.
  • the invention relates to a vehicle, in particular a commercial vehicle, with a fuel cell system according to one of the preferred embodiments described above, and a control device which is connected to the valve arrangement in a signal-conducting manner and is set up to do so in a method according to one of the preferred embodiments described above Valve arrangement for blowing in compressed air to control, the control device preferably being designed as a control device or trailer control device.
  • the vehicle makes use of the same advantages as the fuel cell system according to the invention of the second aspect and the method according to the invention of the first aspect. Preferred embodiments of the method and the fuel cell system are therefore also preferred embodiments of the vehicle and vice versa, which is why reference is made to the above statements to avoid repetition.
  • Fig. 1 is a schematic view of a vehicle with a fuel cell system according to a preferred embodiment
  • Fig. 2 is an exemplary schematic view of a preferred embodiment of the method according to the invention for operating a vehicle according to Fig. 1.
  • Fig. 1 schematically shows a vehicle 200, in particular a commercial vehicle.
  • the vehicle 200 has a fuel cell system 100 and a braking system 300.
  • the fuel cell system 100 has a fuel cell 101, which is supplied with air L on the cathode side by a compressor arrangement 1.
  • the compressor arrangement 1 has a compressor housing 3 in which a rotor shaft 5 is arranged.
  • the rotor shaft 5 is driven by an electric machine 7 and is supported without contact by an air bearing arrangement 9.
  • the air bearing arrangement 9 has several air bearings, of which a first radial air bearing 9a and a second radial air bearing 9b are shown here as examples. are shown.
  • the air bearing arrangement 9 expediently also has one or more axial air bearings, which are not relevant for understanding the invention and are therefore hidden in Fig. 1 for better clarity.
  • the compressor arrangement 1 has a compressor stage 11, with a compressor chamber 13 and a compressor wheel 15 arranged therein, which as a result of a rotation of the rotor shaft 5 sucks in air L from the environment U, compresses it and via a (first) cathode-side flow path 14 for supplying reactants to the fuel cell 101 promotes.
  • a cathode exhaust gas LK is conveyed to an expander stage 17 via a (second) cathode-side flow path 16, which has an expander chamber 19 and an expander wheel 21 arranged therein.
  • the cathode exhaust gas LK is expanded by means of the expander wheel 21 and then conveyed further into the environment U.
  • a condensate separator 23 is arranged, which is designed to collect drop-shaped water and any other accumulating condensate K and to remove it from the cathode exhaust gas LK, preferably also in the direction of the environment U.
  • Condensate K can accumulate not only in the condensate separator 23, but also in other areas of the flow path 16, for example within the expander chamber 19, and also within the air bearing arrangement 9, which, due to the design, conducts fluid with the flow path 16 and there initially with the Expander chamber 19 is connected. Therefore, the potential presence of condensate K is also indicated as an example in these areas of the fuel cell system 100.
  • the condensate separator 23, the expander stage 17 and the air bearing arrangement 9 are therefore to be understood as fluid-carrying components 24.
  • the vehicle 200 has a valve arrangement 25, which is fluidly connected to the fluid-carrying components 24 via dedicated fluid lines 27a, 27b, 27c.
  • the valve arrangement 25 can be structurally assigned to the fuel cell system 100, but it can also optionally be structurally assigned to the brake system 300, depending on the installation conditions and customer requirements.
  • the valve arrangement 25 can also be arranged separately from both the brake system 300 and the fuel cell system 100 as a dedicated valve arrangement at a convenient location in the vehicle 200. The functional assignment is decisive.
  • the valve arrangement 25 can optionally be designed so that it has one or more multi-way valves, or dedicated single valves.
  • the valve arrangement 25 can be switched back and forth between a release position F and a blocking position, and is designed to establish a fluid-conducting connection between a compressed air supply 301 of the braking system 300 and the fluid-conducting components 24 in the cathode-side flow path 16 in the release position F, so that dry compressed air LT can be blown into the cathode-side flow path 16 and in particular into the fluid-conducting components 24.
  • the brake system preferably has a particle filter 303, which is connected upstream of the valve arrangement 25.
  • the brake system 300 has a (first) control device 305, which is preferably designed as a brake control device or trailer brake control device, which is set up to switch the valve arrangement 25 from the locking position S to the release position F for a predetermined flushing time ts and vice versa in order to achieve a targeted To carry out the blowing process to dry the fluid-carrying components 24.
  • the control device 305 is connected in a signal-conducting manner to a (second) control device 307, for example a compressor control or fuel cell control, and is designed to be controllable by this.
  • valve arrangement 25 can be activated to dry the fluid-carrying components 24 can be carried out, preferably using the method according to the invention, which is explained below with reference to FIG.
  • the mode of operation of the invention has been explained with a focus on the fluid-carrying components 24 in the second cathode-side flow path 16.
  • the first cathode-side flow path 14 alternatively or additionally has a fluid-carrying component, such as the compressor chamber 13, which is blown dry in the same way by blowing in dry compressed air as the fluid-carrying components 24 in the second cathode-side flow path 16.
  • a fluid-carrying component such as the compressor chamber 13 which is blown dry in the same way by blowing in dry compressed air as the fluid-carrying components 24 in the second cathode-side flow path 16.
  • Fig. 2 shows a schematic process sequence in which the dry compressed air LT is blown into the cathode-side flow path 16 by means of the compressed air supply 301 in such a way that the fluid-carrying component 24 is flowed through by the compressed air LT and existing cathode exhaust gas LK and/or condensate K is displaced from the fluid-carrying component 24 towards the environment U.
  • the initial starting point in step 401 is a start request for the fuel cell system 101. Based on this start request, a control command Bvi is sent from the second control unit 307 to the first control unit 305 in step 403. The first control unit 305 then controls the valve arrangement 25 to assume the release position F in step 405.
  • step 407 the valve arrangement 25 is then left in the release position for the flushing time Ts, and the fluid-carrying components 24 are dried by blowing the dry compressed air LT into the flow path 16 until the valve arrangement 25 is returned to its blocking position S at the end of the flushing time Ts (step 409).
  • This can optionally be triggered by a control command Bvo from the second control device 307 or automatically controlled by the first control device 305.
  • step 411 after the valve arrangement 25 has been successfully blocked, the fuel cell system 100 is put into operation, preferably by means of a control command BFCI of the second control device 307.
  • step 413 when a stop request is made, a control command BFCO is first sent to the electric machine 7 of the compressor arrangement 1, preferably again triggered by the control unit 307. This stops operation and thus shuts down the fluid-carrying components 24.
  • the control command Bvi is sent from the second control unit 307 to the first control unit 305 in step 415, whereupon the valve arrangement 25 assumes its release position F in step 417.
  • the valve arrangement 25 can again remain in its release position F for the duration ts of the flushing process in order to dry the cathode-side flow path 16 in the region of the fluid-carrying components 24 until the valve arrangement 25 again assumes its blocking position S in step 421. This can be caused, as before, by a control command Bvo of the second control unit 307, or can be controlled automatically by the first control unit 305.
  • the programming effort required to implement the process is simple and efficient.
  • the invention thus provides an extremely effective and at the same time easy to implement system for increasing the stability and improving the efficiency of the fuel cell system 100 of the vehicle 200.
  • a compressor arrangement 1 of a fuel cell system 100 is shown, the fuel cell system 100 having a plurality of fluid-carrying components 24, each of which can (unintentionally) accumulate condensate K.
  • the invention is not limited to the configuration shown, but is essentially implemented by systems that have a smaller number of fluid-carrying components 24 or a larger number of fluid-carrying components 24.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (200), insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Brennstoffzellensystem (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen fluidleitend mit der Umgebung (U) verbundenen kathodenseitigen Strömungspfad (16) zum Transport von Luft aus der Umgebung zum Brennstoffzellensystem hin, und zum Transport eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellensystem in die Umgebung aufweist, sowie eine mit dem kathodenseitigen Strömungspfad (16) fluidleitend verbundene fluidführende Komponente (24), die dazu eingerichtet ist, Ansammlungen von Kondensat (K) aus der Luft bzw. dem Kathodenabgas (LK) aufzunehmen, und das Fahrzeug (200) eine vom Brennstoffzellensystem (100) unabhängige Druckluftversorgung (301) aufweist, die dazu eingerichtet ist, trockene Druckluft (LT) bereitzustellen. Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren ein Einblasen (407,419) der trockenen Druckluft (LT) mittels der Druckluftversorgung (301) in den kathodenseitigen Strömungspfad (16) derart umfasst, dass die fluidführende Komponente (24) von der trockenen Druckluft (LT) durchströmt und vorhandene Luft bzw. vorhandenes Kathodenabgas und/oder Kondensat (K) aus der fluidführenden Komponente (24) in Richtung der Umgebung (U) verdrängt wird.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem, sowie Brennstoffzellensystem für selbiges
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem einen fluidleitend mit der Umgebung verbundenen kathodenseitigen Strömungspfad zum Transport von Luft aus der Umgebung (U) zum Brennstoffzellensystem hin, und zum Transport eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellensystem in die Umgebung (U) aufweist, sowie eine mit dem kathodenseitigen Strömungspfad fluidleitend verbundene fluidführende Komponente, die dazu eingerichtet ist, Ansammlungen von Kondensat aus der Luft bzw. dem Kathodenabgas aufzunehmen, und das Fahrzeug eine vom Brennstoffzellensystem unabhängige Druckluftversorgung aufweist, die dazu eingerichtet ist, trockene Druckluft bereitzustellen.
Verfahren der vorstehend genannten Art sind allgemein bekannt. Wasserstoff ist im Zuge der Energiewende eine Energieform, die im Automobilsektor, und insbesondere auch im Nutzfahrzeugsektor, zunehmend an Bedeutung gewinnt. Eine zentrale Herausforderung beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen ist der Wirkungsgrad im Betrieb des Brennstoffzellensystems sowie die Standfestigkeit des Brennstoffzellensystems. Innerhalb des Brennstoffzellensystems wird durch Verdichteranordnungen neben der Bereitstellung von Sauerstoff (Luft) als kathodenseitigem Reaktanten, und durch Expanderanordnungen die Abführung des die Brennstoffzelle verlassenden Kathodenabgases vorgenommen, wobei Verdichter und Expander nicht zwingend, aber häufig, als integrierte Baueinheiten ausgebildet sind.
Nach dem Durchlaufen der Brennstoffelle weist das Kathodenabgas ein Stoffgemisch aus Wasser und Luft auf, in dem sich sowohl tropfenförmiges Wasser befindet, wie auch mit hohem Sättigungsgrad in der Luft gebundenes Wasser. Vor dem Durchlaufen der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kann ebenfalls Feuchtigkeit in der Umgebungsluft vorhanden sein, die in den kathodenseitigen Strömungspfad eintritt.
Beim Transport der Luft und/oder des Kathodenabgases durch den Strömungspfad kann es teilweise im Betrieb, vor allem aber auch im Anschluss an den Betrieb, des Brennstoffzellensystems zu einer Abkühlung der Luft und/oder des Kathodenabgases kommen, wodurch Wasser aus kondensiert. Auch ein Druckabfall im Strömungspfad führt zu einem Auskondensieren von Wasser aus der Luft bzw. dem Kathodenabgas.
Wenngleich ungewollt, so gibt es zwangsläufig innerhalb des Strömungspfades an den fluidführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems immer Stellen, an denen sich Kondensat ansammeln kann. Insoweit vorstehend davon die Rede ist, dass eine fluidführende Komponente dazu eingerichtet ist, Ansammlungen von Kondensat aus der Luft bzw. dem Kathodengas aufzunehmen, so ist hierunter zu verstehen, dass die Komponenten auch ungewollt aufgrund der räumlichen oder technischen Anforderungen Bereiche aufweisen, in denen sich Kondensat ansammeln kann und in diesem Sinne von der Komponente aufgenommen wird.
Wasser kann langfristig zu Korrosion führen, jedenfalls aber auch zu erhöhter Reibung bei beweglichen fluidführenden Komponenten und sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und/oder die Standfestigkeit der fluidführenden Komponenten und damit das Brennstoffzellensystem als Ganzes auswirken. Gefriert das Kondensat innerhalb der fluidführenden Komponenten, drohen Beschädigungen der Komponenten und im schlimmsten Fall ein Funktionsausfall des Brennstoffzellensystems.
Es sind aus dem Stand der Technik Ansätze bekannt, in denen vorgeschlagen wurde, die Verdichteranordnungen des Brennstoffzellensystems im Anschluss an einen Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter zu betreiben, die Brennstoffzelle selbst zu trocknen. Solche Systeme sind beispielswiese beschrieben in DE102020202283 A1 oder in DE102019214748 A1 .
Es hat sich aber gezeigt, dass die Trocknung mit dem systemeigenen Verdichter nicht garantieren kann, dass sich wirklich kein Wasser an kritischen Stellen im kathodenseitigen Strömungspfad ansammelt.
Demzufolge lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art die vorstehend beschriebenen Nachteile möglichst weitgehend zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine zuverlässigere Trocknung der fluidführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie ein Verfahren nach Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass das Verfahren einen Schritt des Einblasens der Druckluft mittels der Druckluftversorgung in den kathodenseitigen Strömungspfad umfasst, derart, dass die fluidführende Komponente von der Druckluft durchströmt und vorhandene Luft und/oder vorhandenes Kathodenabgas und/oder Kondensat aus der fluidführenden Komponente in Richtung der Umgebung verdrängt wird.
Sofern im Zusammenhang mit der Erfindung von trockener Druckluft gesprochen wird, so ist hierunter Druckluft zu verstehen, die gemäß ISO 8573- 1 :2010 in Klasse 6 oder besser liegt, vorzugsweise in Klasse 4 oder besser.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich im Stand der Technik in der nach dem Betrieb mittels des Verdichters durch die Brennstoffzelle getriebenen Luft noch immer Feuchtigkeit befindet, welche in Folge äußerer Einflüsse, vor allem Abkühlung des Systems, und/oder der Umgebung, kondensieren und sich an den entsprechenden Stellen in den fluidführenden Komponenten ansammeln kann. Die Erfindung setzt hier an und nutzt den Umstand aus, dass im (Nutz-) Fahrzeug, bei dem das eingangs bezeichnete Verfahren zur Anwendung kommt, bereits eine Druckluftversorgung mit trockener Druckluft vorhanden ist, weil jene beispielsweise für eine Bremsanlage und/oder ein Luftfahrwerk des (Nutz-) Fahrzeugs benötigt wird. Die Erfindung schlägt vor, anstelle der Luft, die von einer etwaigen Verdichteranordnung des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden könnte, und welche immer eine gewisse Restfeuchte aus der Umgebung mit in das System einschleppt, die bereits technisch aufbereitete trockene Druckluft der Druckluftversorgung zu nutzen, und diese in den Strömungspfad so einzublasen, dass die noch im System befindliche, Feuchtigkeit der Luft bzw. des Kathodenabgases ausgetrieben wird, und etwaige innerhalb des Brennstoffzellensystems befindliche Ansammlungen von Kondensat mitgerissen und aus dem System ausgetrieben werden.
Die Erfindung nutzt hierbei aus, dass die Druckluftversorgung des Nutzfahrzeuges ohnehin darauf ausgelegt ist, Druckluft bei einem Betriebsdruck bereitzustellen, der deutlich höher ist als derjenige Druck, den etwaige Verdichteranordnungen des Brennstoffzellensystems bereitstellen würden, und dass diese ohne zusätzliche Druckbeaufschlagung bereits in ausreichend hohen Massenströmen in den Strömungspfad eingeblasen werden kann, um ein Mitreißen der Kondensatansammlungen sicherzustellen. Die nötigen Betriebsparameter Druck und Massenstrom lassen sich in einfachen Vorversuchen empirisch ermitteln, und die Menge der einzublasenden trockenen Druckluft in allgemein bekannter Weise kalibrieren.
Damit schlägt die Erfindung eine Lösung vor, die für sämtliche fluidführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden kann, sofern die jeweilige fluidführende Komponente mit Druckluftleitungen konstruktiv erreichbar ist.
Die Erfindung ermöglicht es, und sieht es in bevorzugten Ausführungsformen vor, eine oder mehrere fluidführende Komponenten zeitgleich oder nacheinander durch Einblasen von Druckluft von Feuchtigkeit zu befreien. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Inbetriebnehmens der fluidführenden Komponente, wobei der Schritt des Einblasens der trockenen Druckluft zeitlich vor oder zeitgleich mit dem Inbetriebnehmen begonnen wird.
Vorzugsweise ist die Druckluftversorgung dazu eingerichtet, trockene Druckluft bei einem Betriebsdruck von 8,0 bar oder mehr bereitzustellen, und das Verfahren umfasst den Schritt des Reduzierens des Drucks zum Einblasen auf einen Einblasdruck von 6,0 bar oder weniger, vorzugsweise in einem Bereich von 3,0 bar bis 5,5 bar. Es hat sich herausgestellt, dass gegenüber dem Betriebsdruck, den die Druckluftversorgung üblicherweise bereitstellt, und der regelmäßig oberhalb von 8,0 bar liegt, das Herabsetzen des Drucks einen besseren Feuchtigkeits- und Partikelaustrag nach sich zieht. Insbesondere wird das Einblasen bei diesem reduzierten Einblasdruck und gleichzeitig dem maximal verfügbaren Volumenstrom bei dem Einblasdruck durchgeführt, um einen möglichst hohen Mitreißeffekt zu erzielen.
Vorzugsweise wird der Schritt des Einblasens der trockenen Druckluft zeitlich vor dem Inbetriebnehmen der fluidführenden Komponente begonnen und auch abgeschlossen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems frei von Beeinträchtigungen durch Luftfeuchtigkeit oder Kondensat ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Außerbetriebsetzens der fluidführenden Komponente, wobei der Schritt des Einblasens der Druckluft zeitlich nach oder zeitgleich mit dem Außerbetriebsetzen begonnen wird. Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann es vorteilhaft sein, den Schritt des Einblasens der trockenen Druckluft so bald wie möglich nach dem Außerbetriebsetzen der fluidführenden Komponente oder sogleich mit dem Außerbetriebsetzen der fluidführenden Komponente vorzunehmen. Die Erfindung kann aber auch vorteilhaft genutzt werden, wenn vor dem Einblasen der Druckluft, und nach dem Außerbetriebsetzen der fluidführenden Komponente erst eine gewisse Zeit zugewartet wird, damit eine gewisse Abkühlung des Systems stattfinden kann. Hierdurch wird auch verhindert, dass sich das Einblasen der trockenen Druckluft in den kathodenseitigen Strömungspfad den Betrieb des Brennstoffzellensystems negativ beeinflussen könnte.
Besonders bevorzugt wird der Schritt des Einblasens trockener Druckluft nach Außerbetriebsetzen der fluidführenden Komponente, zusätzlich in einem Verfahren durchgeführt, welches auch ein Einblasen von trockener Druckluft vor dem Inbetriebnehmen der fluidführenden Komponente beinhaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Schritt des Einblasens der trockenen Druckluft für eine vorbestimmte Spüldauer, die vorzugsweise in einem Bereich von fünf Sekunden oder länger liegt, weiter vorzugsweise in einem Bereich von zehn Sekunden oder länger, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 Sekunden oder länger.
Die vorstehend bezeichneten bevorzugten Bereiche werden in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach oben hin durch eine maximale Spüldauer von 30 Sekunden oder weniger begrenzt.
Weiter vorzugsweise beträgt die Spüldauer nicht länger als 20 Sekunden. Es hat sich herausgestellt, dass nach Verstreichen der vorgenannten Spüldauern keine Restfeuchte oder nur noch eine so geringe Restfeuchte im System vorhanden ist, dass eine nachteilige Beeinträchtigung des Brennstoffzellensystembetriebs zuverlässig ausgeschlossen ist.
Ein Fortsetzen des Spülvorgangs über diese Zeit hinaus, würde keinen messbaren Vorteil mehr erzielen. Daher ist das Begrenzen der maximalen Spüldauer ressourcenschonend ohne nachteiligen Effekt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die fluidführende Komponente eine Expanderstufe einer Verdichteranordnung des Brennstoffzellensystems, welche vorzugsweise eine Expanderkammer und/oder ein Expanderrad aufweist. Alternativ oder zusätzlich weist die fluidführende Komponente eine Luftlageranordnung einer Verdichteranordnung des Brennstoffzellensystems auf, welche Vorzugsweise ein oder mehrere Luftlager aufweist, die fluidleitend mit der Expanderstufe verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich weist die fluidführende Komponente einen Kondensatabscheider des Brennstoffzellensystems auf. Der Kondensatabscheider ist vorzugsweise im kathodenseitigen Strömungspfad des Kathodenabgases angeordnet, also beispielsweise stromabwärts der Brennstoffzelle, aber stromaufwärts einer Expanderstufe. Mit dem Kondensatabscheider, auch Tröpfchenabscheider genannt, können zumindest die Tropfen vom vorliegenden Wasseranteil aus dem Kathodenabgas entfernt werden. Das Einblasen von Druckluft in den Kondensatabscheider verbessert und beschleunigt den Austrag von Feuchtigkeit aus jener Komponente, genauso wie aus den anderen vorgenannten Komponenten. Auch hier wird das Risiko einer Beschädigung im Winter infolge Gefrierens vorteilhaft reduziert.
Alternativ oder zusätzlich weist die fluidführende Komponente eine Verdichterstufe einer Verdichteranordnung des Brennstoffzellensystems auf, welche vorzugsweise eine Expanderkammer und/oder ein Expanderrad aufweist. Auch bei Verdichterstufen der vorgenannten Art wird das Risiko von Beschädigungen aufgrund der Feuchtigkeits- und/oder Partikelansammlung durch das Einblasen von trockener Druckluft vorteilhaft reduziert. Die Verdichterstufe weist hierzu vorzugsweise entsprechende Auslassbohrungen auf, die während des Einblasens geöffnet werden können, und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems geschlossen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Druckluftversorgung einer pneumatischen Bremsanlage des Fahrzeugs, insbesondere einer Mehrkreisbremsanlage zugeordnet. Im Falle der Zuordnung zur Mehrkreis- Bremsanlage ist die Druckluftversorgung vorzugsweise an einen Nebenverbraucherkreis der Bremsanlage angeschlossen. Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines ersten Aspekts bezugnehmend auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, welches eine von dem Brennstoffzellensystem unabhängige Druckluftversorgung aufweist, die dazu eingerichtet ist, trockene Druckluft bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem einen fluidleitend mit der Umgebung verbunden kathodenseitigen Strömungspfad zum Transport von Luft aus der Umgebung zum Brennstoffzellensystem hin, und zum Transport eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellensystem in die Umgebung aufweist, sowie eine mit dem Strömungspfand fluidleitend verbundene fluidführende Komponente, die dazu eingerichtet ist, Ansammlungen von Kondensat aus der Luft bzw. dem Kathodengas aufzunehmen.
Die Erfindung löst die eingangs für das Verfahren bereits geschilderte Aufgabe auch bei einem Brennstoffzellensystem der vorgenannten Art, indem das Brennstoffzellensystem eine Ventilanordnung aufweist, die zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung hin- und herschaltbar ist, wobei die Ventilanordnung in der Freigabestellung fluidleitend mit dem kathodenseitigen Strömungspfad verbunden und dazu eingerichtet ist, in der Freigabestellung die Druckluftversorgung zum Einblasen von Druckluft in den kathodenseitigen Strömungspfad mit dem Strömungspfad derart zu verbinden, dass die fluidführende Komponente von der Druckluft durchströmt und vorhandene Luft bzw. vorhandenes Kathodenabgas und/oder Kondensat aus der fluidführenden Komponente in Richtung der Umgebung verdrängt wird.
Die Erfindung macht sich hinsichtlich des Brennstoffzellensystems dieselben Vorteile zunutze wie das erfindungsgemäße Verfahren des ersten Aspekts. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems des zweiten Aspekts und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die obigen Ausführungen verwiesen wird sowie auf die folgenden Ausführungen zum Brennstoffzellensystem bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist die Ventilanordnung ansteuerbar und dazu eingerichtet, signalleitend mit einem Steuergerät verbunden zu werden, wobei das Steuergerät vorzugsweise als Bremssteuergerät oder Anhängerbremssteuergerät ausgebildet ist.
Das Steuergerät ist vorzugsweise in allgemein bekannter Weise aufgebaut, d. h. es weist Prozessormittel sowie einen oder mehrere Datenspeicher auf, und ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren jedenfalls partiell auszuführen. Vorzugsweise ist das Steuergerät dazu eingerichtet, in dem Verfahren des ersten Aspekts durch Ansteuern der Ventilanordnung das Einblasen von Druckluft in den kathodenseitigen Strömungspfad zu steuern.
Die Ventilanordnung kann pneumatisch, elektrisch, elektropneumatisch oder hydraulisch angesteuert sein.
Je nachdem, ob ein oder mehrere fluidführende Komponenten im Brennstoffzellensystem durch Einblasen von Druckluft von Feuchtigkeit befreit werden sollen, kann die Ventilanordnung ein oder mehrere ansteuerbare Einoder Mehrwegeventile umfassen. Die Ventilanordnung ist in bevorzugten Ausführungsformen dazu eingerichtet, ein oder mehrere dieser Ventile simultan oder einzeln anzusteuern, um die jeweils fluidleitend mit den Ventilen der Ventilanordnung verbundenen fluidführenden Komponenten von Feuchtigkeit zu befreien.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, und einem Steuergerät, welches signalleitend mit der Ventilanordnung verbunden und dazu eingerichtet ist, in einem Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen die Ventilanordnung zum Einblasen der Druckluft anzusteuern, wobei das Steuergerät vorzugsweise als Steuergerät oder Anhängersteuergerät ausgebildet ist.
Das Fahrzeug macht dieselben Vorteile zunutze wie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem des zweiten Aspekts und das erfindungsgemäße Verfahren des ersten Aspekts. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und des Brennstoffzellensystems sind somit zugleich auch bevorzugte Ausführungsformen des Fahrzeugs und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 2 eine exemplarische schematische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Fahrzeugs gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist schematisch ein Fahrzeug 200, insbesondere ein Nutzfahrzeug, gezeigt. Das Fahrzeug 200 weist ein Brennstoffzellensystem 100 und ein Bremssystem 300 auf.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle 101 auf, welche von einer Verdichteranordnung 1 kathodenseitig mit Luft L versorgt wird. Die Verdichteranordnung 1 weist ein Verdichtergehäuse 3 auf, in dem eine Rotorwelle 5 angeordnet ist. Die Rotorwelle 5 wird mittels einer elektrischen Maschine 7 angetrieben und von einer Luftlageranordnung 9 berührungsfrei gelagert. Die Luftlageranordnung 9 weist mehrere Luftlager auf, von denen hier exemplarisch ein erstes Radialluftlager 9a und ein zweites Radialluftlager 9b gezeigt sind. Zweckmäßigerweise weist die Luftlageranordnung 9 auch ein oder mehrere Axial-Luftlager auf, die aber für das Verständnis der Erfindung nicht relevant sind und deshalb zur besseren Übersichtlichkeit in Fig. 1 ausgeblendet sind.
Die Verdichteranordnung 1 weist eine Verdichterstufe 11 auf, mit einer Verdichterkammer 13 und einem darin angeordneten Verdichterrad 15, welches infolge einer Rotation der Rotorwelle 5 aus der Umgebung U Luft L ansaugt, verdichtet und über einen (ersten) kathodenseitigen Strömungspfad 14 zur Reaktantenzufuhr an die Brennstoffzelle 101 fördert.
Nach Umsetzung in der Brennstoffzelle 101 wird über einen (zweiten) kathodenseitigen Strömungspfad 16 ein Kathodenabgas LK ZU einer Expanderstufe 17 gefördert, welche eine Expanderkammer 19 und ein darin angeordnetes Expanderrad 21 aufweist. In der Expanderkammer 19 wird mittels des Expanderrads 21 das Kathodenabgas LK entspannt und im Anschluss an die Umgebung U weitergefördert.
Im kathodenseitigen Strömungspfad 16 ist zwischen der Brennstoffzelle 101 und der Expanderstufe 17 ein Kondensatabscheider 23 angeordnet, welcher dazu ausgebildet ist, tropfenförmiges Wasser und sich etwaig weiteres ansammelndes Kondensat K zu sammeln und aus dem Kathodenabgas LK abzuführen, vorzugsweise auch in Richtung der Umgebung U.
Kondensat K kann sich nicht nur im Kondensatabscheider 23 ansammeln, sondern auch in weiteren Bereichen des Strömungspfades 16, so beispielsweise innerhalb der Expanderkammer 19, und auch innerhalb der Luftlageranordnung 9, welche konstruktionsbedingt aufgrund der berührungsfreien Lagerung fluidleitend mit dem Strömungspfad 16 und dort zunächst mit der Expanderkammer 19, verbunden ist. Deshalb ist exemplarisch auch in diesen Bereichen des Brennstoffzellensystems 100 die potentielle Anwesenheit von Kondensat K angedeutet. Der Kondensatabscheider 23, die Expanderstufe 17 und die Luftlageranordnung 9 sind mithin exemplarisch als fluidführende Komponenten 24 zu verstehen.
Das Fahrzeug 200 weist eine Ventilanordnung 25 auf, welche über jeweils dedizierte Fluidleitungen 27a, 27b, 27c fluidleitend mit den fluidführenden Komponenten 24 verbunden ist.
Die Ventilanordnung 25 kann konstruktiv dem Brennstoffzellensystem 100 zugeordnet sein, sie kann optional aber auch konstruktiv dem Bremssystem 300 zugeordnet sein, abhängig von den Einbaubedingungen und Kundenanforderungen. Die Ventilanordnung 25 kann auch separat sowohl zum Bremssystem 300 als auch zum Brennstoffzellensystem 100 als dedizierte Ventilanordnung an einer günstigen Stelle im Fahrzeug 200 angeordnet werden. Maßgeblich ist die funktionale Zuordnung. Die Ventilanordnung 25 kann wahlweise so gestaltet sein, dass sie ein oder mehrere Mehrwegeventile aufweist, oder jeweils dedizierte Einfachventile.
Die Ventilanordnung 25 ist zwischen einer Freigabestellung F und einer Sperrstellung hin- und herschaltbar, und dazu eingerichtet in der Freigabestellung F eine fluidleitende Verbindung zwischen einer Druckluftversorgung 301 des Bremssystems 300 und den fluidführenden Komponenten 24 im kathodenseitigen Strömungspfad 16 herzustellen, so dass trockene Druckluft LT in den kathodenseitigen Strömungspfad 16 und insbesondere in die fluidführenden Komponenten 24 eingeblasen werden kann. Dies hat zur Folge, dass die trockene Druckluft LT die potentiell feuchtebehaftete Luft des Kondensatabgases LK verdrängt und auch etwaig angesammeltes Kondensat K aus den fluidführenden Komponenten 24 vertreibt.
Das Bremssystem weist vorzugsweise einen Partikelfilter 303 auf, der der Ventilanordnung 25 vorgeschaltet ist. Das Bremssystem 300 weist ein (erstes) Steuergerät 305 auf, welches vorzugsweise als Bremssteuergerät oder Anhängerbremssteuergerät ausgebildet ist, welches dazu eingerichtet ist, die Ventilanordnung 25 für eine vorbestimmte Spüldauer ts von der Sperrstellung S in die Freigabestellung F zu schalten und umgekehrt, um einen gezielten Einblasvorgang zum Trocknen der fluidführenden Komponenten 24 durchzuführen. Hierzu ist das Steuergerät 305 signalleitend mit einem (zweiten) Steuergerät 307, beispielsweise einer Kompressorsteuerung oder Brennstoffzellensteuerung, verbunden, und von dieser ansteuerbar ausgebildet. Hierdurch wird auf einfache Weise ermöglicht, dass immer dann, wenn durch Inbetriebnahme oder Außerbetriebnahme der Verdichteranordnung 1 eine, mehrere oder sämtliche der fluidführenden Komponenten 24 ebenfalls in Betrieb genommen oder außer Betrieb gesetzt werden sollen, eine Ansteuerung der Ventilanordnung 25 zum Trocknen der fluidführenden Komponenten 24 vorgenommen werden kann, vorzugsweise anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches nachfolgend anhand von Fig. 2 erläutert wird.
In Figur 1 ist die Funktionsweise der Erfindung unter Fokussierung auf die fluidführenden Komponenten 24 im zweiten kathodenseitigen Strömungspfad 16 erläutert worden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht separat bebildert ist, weist alternativ oder zusätzlich der erste kathodenseitige Strömungspfad 14 eine fluidführende Komponente auf, so etwa die Verdichterkammer 13, welche in derselben Art und Weise mittels Einblasen von trockener Druckluft trockengeblasen wird wie die fluidführenden Komponenten 24 im zweiten kathodenseitigen Strömungspfad 16. Diesbezüglich wird auf die obigen und die nachfolgenden Ausführungen analog verwiesen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf, in welchem die trockene Druckluft LT mittels der Druckluftversorgung 301 in den kathodenseitigen Strömungspfad 16 derart eingeblasen wird, dass die fluidführende Komponente 24 von der Druckluft LT durchströmt und vorhandenes Kathodenabgas LK und/oder Kondensat K aus der fluidführenden Komponente 24 in Richtung der Umgebung U verdrängt wird.
Ausgegangen wird zunächst in Schritt 401 von einem Startwunsch für das Brennstoffzellensystem 101. Ausgehend von diesem Startwunsch wird in Schritt 403 von dem zweiten Steuergerät 307 ein Steuerbefehl Bvi an das erste Steuergerät 305 übersandt. Daraufhin steuert das erste Steuergerät 305 in Schritt 405 die Ventilanordnung 25 zum Einnehmen der Freigabestellung F an.
In Schritt 407 wird sodann für die Spüldauer Ts die Ventilanordnung 25 in der Freigabestellung belassen, und die fluidführenden Komponenten 24 werden durch Einblasen der trockenen Druckluft LT in den Strömungspfad 16 getrocknet, bis am Ende der Spüldauer Ts die Ventilanordnung 25 wieder in ihre Sperrstellung S überführt wird (Schritt 409). Dies kann optional ausgelöst werden durch einen Steuerbefehl Bvo vom zweiten Steuergerät 307 oder selbsttätig vom ersten Steuergerät 305 gesteuert werden.
In Schritt 411 wird nach dem erfolgreichen Sperren der Ventilanordnung 25 das Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb genommen, vorzugsweise mittels eines Steuerbefehls BFCI des zweiten Steuergeräts 307.
Soll aus dem laufenden Betrieb heraus das Brennstoffzellensystem 100 außer Betrieb gesetzt werden, wird in Schritt 413 bei einem Stoppwunsch zunächst, vorzugsweise wieder ausgelöst durch das Steuergerät 307, ein Steuerbefehl BFCO an die elektrische Maschine 7 der Verdichteranordnung 1 gesendet. Diese stellt den Betrieb ein und setzt damit die fluidführenden Komponenten 24 außer Betrieb.
Zeitgleich oder mit einer kurzen Verzögerung danach wird in Schritt 415 von dem zweiten Steuergerät 307 an das erste Steuergerät 305 der Steuerbefehl Bvi übersandt, woraufhin in Schritt 417 die Ventilanordnung 25 ihre Freigabestellung F einnimmt. In Schritt 419 kann wiederum für die Dauer ts des Spülvorgangs die Ventilanordnung 25 in ihrer Freigabestellung F verharren, um den kathodenseitigen Strömungspfad 16 im Bereich der fluidführenden Komponenten 24 zu trocknen, bis in Schritt 421 die Ventilanordnung 25 erneut ihre Sperrstellung S einnimmt. Dies kann verursacht sein, wie zuvor, durch einen Steuerbefehl Bvo des zweiten Steuergeräts 307, oder selbsttätig durch das erste Steuergerät 305 gesteuert werden.
Der programmiertechnische Aufwand zur Implementierung des Verfahrens ist einfach und effizient. Die Erfindung stellt damit ein äußerst wirkungsvolles und gleichzeitig einfach zu implementierendes System zum Erhöhen der Standfestigkeit und Verbesserung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100 des Fahrzeugs 200 zur Verfügung.
Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 ist eine Verdichteranordnung 1 eines Brennstoffzellensystems 100 gezeigt, wobei das Brennstoffzellensystem 100 mehrere fluidführende Komponenten 24 aufweist, die jeweils (ungewollt) Kondensat K ansammeln können. Die Erfindung ist aber nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt, sondern wird dem Wesen nach genauso von Systemen umgesetzt, die eine geringere Anzahl fluidführender Komponenten 24 aufweisen, oder eine größere Anzahl fluidführender Komponenten 24.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung):
1 Verdichteranordnung
3 Verdichtergehäuse
5 Rotorwelle
7 elektrische Maschine
9 Luftlageranordnung
9a, 9b erstes und zweites Luftlager
11 Verdichterstufe
13 Verdichterkammer
14 Strömungspfad
15 Verdichterrad
16 Strömungspfad
17 Expanderstufe
19 Expanderkammer
21 Expanderrad
23 Kondensatabscheider
24 fluidführende Komponente
25 Ventilanordnung
27a, b, c Fluidleitungen
100 Brennstoffzellensystem
101 Brennstoffzelle
200 Fahrzeug
300 Bremssystem
301 Druckluftversorgung
303 Partikelfilter
305 (erstes) Steuergerät, Bremssystem
307 (zweites) Steuergerät, Brennstoffzellensystem
401 Schritt: Startwunsch 403 Schritt: Ansteuern
405 Schritt: Freigabestellung
407 Schritt: Einblasen trockener Druckluft
409 Schritt: Sperrstellung
411 Schritt: Inbetriebnehmen der fluidführenden Komponenten
413 Schritt: Stoppwunsch, Außerbetriebsetzen
415: Schritt: Ansteuern
417 Schritt: Freigabestellung
419 Schritt: Einblasen trockener Druckluft
421 Schritt. Sperrstellung
F Freigabestellung
K Kondensat
L Luft
LK Kathodenabgas
LT Druckluft
S Sperrstellung ts Spüldauer
U Umgebung
BFCO Steuerbefehl, Verdichteranordnung
BFCI Steuerbefehl, Verdichteranordnung
Bvo Steuerbefehl, Ventilanordnung
Bvi Steuerbefehl, Ventilanordnung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (200), insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Brennstoffzellensystem (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen fluidleitend mit der Umgebung (U) verbundenen kathodenseitigen Strömungspfad (16) zum Transport von Luft aus der Umgebung (U) zum Brennstoffzellensystem (100) hin, und zum Transport eines Kathodenabgases (LK) von dem Brennstoffzellensystem (100) in die Umgebung (U) aufweist, sowie eine mit dem kathodenseitigen Strömungspfad (16) fluidleitend verbundene fluidführende Komponente (24), die dazu eingerichtet ist, Ansammlungen von Kondensat (K) aus der Luft (L) oder aus dem Kathodenabgas (LK) aufzunehmen, und das Fahrzeug (200) eine vom Brennstoffzellensystem (100) unabhängige Druckluftversorgung (301 ) aufweist, die dazu eingerichtet ist, trockene Druckluft (LT) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst:
Einblasen (407,419) der trockenen Druckluft (LT) mittels der Druckluftversorgung (301 ) in den kathodenseitigen Strömungspfad (16) derart, dass die fluidführende Komponente (24) von der trockenen Druckluft (LT) durchströmt und vorhandene Luft (L) bzw. vorhandenes Kathodenabgas (LK) und/oder Kondensat (K) aus der fluidführenden Komponente (24) in Richtung der Umgebung (U) verdrängt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend:
Inbetriebnehmen (411 ) der fluidführenden Komponente (24), wobei der Schritt (407) des Einblasens der trockenen Druckluft (LT) zeitlich vor, oder zeitgleich mit, dem Inbetriebnehmen (411) begonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt (407) des Einblasens der trockenen Druckluft (LT) zeitlich vor dem Inbetriebnehmen (411 ) der fluidführenden Komponente begonnen und abgeschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: Außerbetriebsetzen (413) der fluidführenden Komponente (24), wobei der Schritt (419) des Einblasens der trockenen Druckluft (LT) zeitlich nach, oder zeitgleich mit, dem Außerbetriebsetzen (413) begonnen wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt (407, 419) des Einblasens der trockenen Druckluft (LT) für eine vorbestimmte Spüldauer (ts) erfolgt, die vorzugsweise in einem Bereich von 5 s oder länger liegt, weiter vorzugsweise 10 s oder länger, besonders bevorzugt 15 s oder länger.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fluidführende Komponente (24)
- eine Expanderstufe (11 ) einer Verdichteranordnung (1 ) des Brennstoffzellensystems (100),
- eine Luftlageranordnung (9) einer Verdichteranordnung (1 ) des Brennstoffzellensystems (100),
- einen Kondensatabscheider (23) des Brennstoffzellensystems (100), und/oder
- eine Verdichterstufe einer Verdichteranordnung (1) des Brennstoffzellensystems (100) aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Druckluftversorgung (301 ) einer pneumatischen Bremsanlage (300) des Fahrzeugs (200), insbesondere einer Mehrkreis-Bremsanlage, zugeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) zum Antrieb eines Fahrzeugs (200), insbesondere Nutzfahrzeugs, welches eine von dem Brennstoffzellensystem (100) unabhängige Druckluftversorgung (301) aufweist, die dazu eingerichtet ist, trockene Druckluft (LT) bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen fluidleitend mit der Umgebung (U) verbundenen kathodenseitigen Strömungspfad (16) zum Transport von Luft aus der Umgebung (U) zum Brennstoffzellensystem hin, und zum Transport eines Kathodenabgases (LK) von dem Brennstoffzellensystem in die Umgebung (U), und eine mit dem kathodenseitigen Strömungspfad (16) fluidleitend verbundene fluidführende Komponente (24) aufweist, die dazu eingerichtet ist, Ansammlungen von Kondensat (K) aus der Luft bzw. dem Kathodenabgas (LK) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (200), vorzugsweise das Brennstoffzellensystem (100), eine Ventilanordnung (25) aufweist, die zwischen einer Sperrstellung (S) und einer Freigabestellung (F) hin und her schaltbar ist, wobei die Ventilanordnung (25) in der Freigabestellung (F) fluidleitend mit dem kathodenseitigen Strömungspfad (16) verbunden und dazu eingerichtet ist, in der Freigabestellung (F) die Druckluftversorgung (301 ) zum Einblasen trockener Druckluft (LT) in den kathodenseitigen Strömungspfad (16) mit dem Strömungspfad (16) derart zu verbinden, dass die fluidführende Komponente (24) von der trockenen Druckluft (LT) durchströmt und vorhandene Luft bzw. vorhandenes Kathodenabgas (LK) und/oder Kondensat (K) daraus aus der fluidführenden Komponente (24) in Richtung der Umgebung (U) verdrängt wird.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (25) ansteuerbar ist, und dazu eingerichtet ist, signalleitend mit einem Steuergerät (305) verbunden zu werden, wobei das Steuergerät (305) vorzugsweise als Bremssteuergerät oder Anhängerbremssteuergerät ausgebildet ist.
10. Fahrzeug (200), insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9 und einem Steuergerät (305), welches signalleitend mit der Ventilanordnung (25) verbunden und dazu eingerichtet ist, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 die Ventilanordnung (25) zum Einblasen der trockenen Druckluft (LT) anzusteuern, wobei das Steuergerät (305) vorzugsweise als Bremssteuergerät oder Anhängerbremssteuergerät ausgebildet ist.
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