eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, bei dem die Bildung explosionsfähiger Gasgemische während Stillstandszeiten des Brennstoffzellensystems vermieden wird, sowie ein Verfahren zurAußerbetriebsetzung eines Brennstoffzellensystems, das die Bildung explosionsfähiger Gasgemische nach der Außerbetriebsetzung vermeidet, so dass ein gefahrloses erneutes Anfahren des Brennstoffzellensystems möglich ist.

Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Sauerstoff wird in der Regel in Form von Luft zugeführt, und Wasserstoff wird aus einem Vorratsbehälter zugeführt oder auch vor Ort erzeugt, beispielsweise aus Methanol. Die gängigste Variante sowohl für mobile als auch für stationäre Brennstoffzellensysteme ist die Wasserstoffversorgung aus Hochdrucktanks. In den Hochdrucktanks wird Wasserstoff unter einem Druck von bis zu 80 MPa (800 bar) gespeichert. Ein oder mehrere Hochdrucktanks bilden ein Tankmodul. Am Ausgang des Tankmoduls wird der Druck mittels eines Druckminderers auf ein Verteiler-Druckniveau reduziert. In diesem Mitteldruckbereich beträgt der Druck typischerweise etwa 0,5-1 ,2 MPa (5-12 bar). Mittels eines weiteren Druckminderers wird der Druck auf den Betriebsdrucks der Brennstoffzellen verringert. Der Betriebsdruck liegt in der Regel höher als der jeweilige Umgebungsdruck, typischerweise bei bis zu 100 kPa (1 bar) über Umgebungsdruck.

Die Brennstoffzellen sind zu einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln zu- sammengefasst und bilden zusammen mit zahlreichen Peripherieelementen, wie Leitungen zur Zuführung von frischen Betriebsgasen und Kühlwasser, zur Abführung und / oder Rezirkulierung von gebrauchten Betriebsgasen und Kühlwasser, mit Behandlungseinrichtungen für diese Betriebsmedien, Sensoren, Ventilen, Reglern, Schaltern, Heizeinrichtungen, etc., ohne die der Betrieb der Brennstoffzellen nicht möglich wäre, ein Brennstoffzellenmodul. Ein Teil dieser Komponenten ist mit schützenden Abdeckungen, Gehäusen oder Ummantelungen ausge- stattet, und alle Komponenten oder zumindest die meisten der Komponenten sind möglichst kompakt zusammengebaut und gemeinsam mit den Brennstoffzellen in einem Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse ist zwar nicht unbedingt gasdicht, aber der Gasaustausch zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Umgebung ist doch zumindest stark eingeschränkt.

Eine Versorgungsleitung verbindet das Tankmodul mit dem Brennstoffzellenmodul, das heißt mit den in ein Gehäuse eingebauten Brennstoffzellen und den erforderlichen Peripherieelementen. Die Versorgungsleitung zwischen dem Tankmodul und dem Brennstoffzellenmodul steht üblicherweise unter einem Druck von 0 ,5-1 ,2 MPa (5-12 bar) Wasserstoff. Sie kann, je nach Anordnung von Tankmodul und Brennstoffzellenmodul zueinander, unter Umständen eine beträchtliche Länge aufweisen.

Gasförmiger Wasserstoff hat eine hohe Diffusionstendenz. Er diffundiert über längere Zeiträume auch durch allgemein als gasdicht betrachtete Materialien hindurch. Bei Wasserstoffleitungen in Brennstoffzellensystemen besteht das zusätzliche Problem, dass der Wasserstoff nicht ausschließlich in verschweißten Rohrleitungen strömt, sondern dass die Wasserstoff-Strömungswege auch lösbare Verbindungen wie Verschraubungen aufweisen, beispielsweise an den Schnittstellen zwischen Tankmodul und Versorgungsleitung und zwischen Versorgungsleitung und Brennstoffzellenmodul, sowie an allen Stellen, an denen Sensoren und Aktoren wie Ventile oder Regler in die Wasserstoffleitungen integriert sind. Hier ist die Wasserstoff-Leckrate besonders groß, insbesondere wenn sich der Wasserstoff bei einem höheren Druck befindet als die umgebende Atmosphäre.

Es muss daher stets damit gerechnet werden, dass aus den Leitungen eines Brennstoffzellensystems eine gewisse Menge an gasförmigem Wasserstoff in die umgebende Atmosphäre, das heißt in die Umgebungsluft, leckt oder diffundiert. Dies bedeutet ein nicht unerhebliches Gefahrenpotential, denn Wasserstoff bildet mit Luft, genauer gesagt mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, zündfähige Gemische (Knallgas).

Bei Raumtemperatur erfolgt die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff mit un- messbar geringer Geschwindigkeit, da molekularer Wasserstoff wegen seiner hohen Dissoziationsenergie relativ reaktionsträge ist. Tritt jedoch an einer bestimmten Stelle eine erhöhte Temperatur auf, kann an dieser Stelle die Reaktion in Gang gesetzt werden. Durch die dabei frei werdende Wärme werden die Moleküle in der Nachbarschaft der erhitzten Stelle zur Reaktion angeregt, wodurch weitere Wärme erzeugt wird, usw. Ausgehend von der erhitzten Stelle geht dann eine Kettenreaktion unter starkem Temperaturanstieg explosionsartig durch das ganze Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft hindurch. Eine Explosion erfolgt jedoch nur, wenn ein bestimmtes Mischungsverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff vorliegt, das durch die obere und untere Explosionsgrenze beschrieben wird.

Explosionsgrenzen sind temperatur- und druckabhängig. Bei einem Gemisch von Wasserstoff in Luft liegt bei einer Wasserstoffkonzentration von etwa 4-75 Volumen % Wasserstoff (bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck) ein explosionsfähiges Gemisch vor. Infolge der kompakten Bauweise von Brennstoffzellensystemen, ihres Einbaus in Gehäuse und enge Räume wie beispielsweise Kraftfahrzeuge, wodurch das rasche Entweichen von Wasserstoff behindert wird, kann es bei einer Leckage von Wasserstoff aus den Leitungen leicht zum Überschreiten der unteren Explosionsgrenze kommen. Dann kann bereits durch die Elektrik des Brennstoffzellensystems selbst eine Zündung des Gasgemisches, und damit eine Explosion, ausgelöst werden.

Zur Minimierung dieser Gefahr werden bei Brennstoffzellensystemen des Stands der Technik eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen getroffen, vorwiegend Maßnahmen des primären und des sekundären Explosionsschutzes. Unter primärem Explosionsschutz versteht man Maßnahmen, die die Bildung explosionsfähiger Atmosphären verhindern oder zumindest die Gefahr ihrer Bildung verringern. Unter sekundärem Explosionsschutz versteht man Maßnahmen, die verhindern, das explosionsfähige Atmosphären sich entzünden können, also die Vermeidung wirksamer Zündquellen.

Bei Tankmodulen ist es in der Regel möglich, sie in einem gut belüfteten Außenbereich unterzubringen. Sobald kein Wasserstoff mehr zum Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigt wird, kann durch Absperrventile unmittelbar am Ausgang der Wasserstoff-Vorratsbehälter ein Ausströmen von Wasserstoff verhindert werden.

Bei dem Brennstoffzellenmodul und seiner Wasserstoff-Versorgungsleitung setzt man konventionell auf eine Kombination aus primärem und sekundärem Explosi- onsschutz. Während des Betriebs der Brennstoffzellen, beispielsweise während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs wird der Raum, in den das Brennstoffzellenmodul eingebaut ist und / oder der gesamte Kraftfahrzeug-Innenraum, durch Wasserstoffsensoren überwacht. Wird an irgendeiner Stelle das Auftreten von Wasserstoff detektiert, wird sofort eine aktive Belüftung eingeleitet, um den Wasserstoff zu entfernen.

Dieser primäre Explosionsschutz versagt beim Abschalten des Systems. Viele Brennstoffzellensysteme werden nur während vergleichbar kurzer Zeitspannen betrieben, während sie während längerer Zeiträume außer Betrieb sind. Brennstoffzellenbetriebene Kraftfahrzeuge beispielsweise befinden sich meist deutlich länger außer Betrieb als in Betrieb. Während der betriebsfreien Zeiten wird in der Regel die Wasserstoffversorgung mittels eines Absperrventils unmittelbar nach dem Gas-Vorratstank gesperrt, doch der in den Leitungen zwischen Tankmodul und Brennstoffzellen verbleibende Wasserstoff kann aus den Leitungen diffundieren und insbesondere durch nicht völlig dichte Verbindungen zwischen den Leitungen entweichen und sich in den eingehausten Bereichen des Brennstoffzellenmoduls und der Wasserstoff-Versorgungsleitung ansammeln. Abhängig von der Länge der Leitungen und dem in den Leitungen herrschenden Druck kann die entsprechende Wasserstoffmenge erheblich sein und mit der Umgebungsluft zur Bildung explosionsfähiger Gemische führen. Beim erneuten Einschalten des Brennstoffzellensystems kann es dann durch Zündfunken, die durch die Aktivierung elektrischer Komponenten entstehen, zur Explosion kommen. Deshalb müssen auch sekundäre Explosionsschutzmaßnahmen getroffen werden. Dazu gehört bei konventionellen Brennstoffzellensystemen, dass die elektrischen Stromkreise des Brennstoffzellenmoduls nach Möglichkeit eigensicher ausgelegt werden. Die eigensichere Auslegung kommt für Mess- und Steuerkreise und den elektrischen Anschluss an Sensoren und Aktoren in Betracht. Alternativ oder zusätzlich werden mögliche Zündquellen (Sensoren, elektrisch beschaltete Ventile) gekapselt, das heißt, es werden explosionsgeschützte Komponenten verwendet.

Diese Maßnahmen sind kostspielig, führen zu einem komplexeren Aufbau und zu erhöhtem Gewicht des Systems und bieten außerdem keinen 100-prozentigen Explosionsschutz. Explosionen, die durch systemfremde Zündquellen ausgelöst werden, können auf diese Weise nicht verhindert werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Außerbetriebsetzung und zur erneuten Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, bei denen die Nachteile des Stands der Technik beseitigt oder zumindest verringert werden. Das System sollte konstruktiv einfach sein und das Risiko einer Wasserstoffexplosion insbesondere beim wieder Anfahren des Systems nach einer längeren Stillstandszeit, aber auch während der Stillstandszeit selbst, minimieren. Dabei sollte bevorzugt auf die Verwendung kostspieliger explosionsgeschützter Komponenten ganz oder teilweise verzichtet werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben sind, durch das Tankmodul mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 6 angegeben sind, durch das Verfahren zur Außerbetriebsetzung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 11 angegeben sind, durch das Verfahren zur erneuten Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 13 angegeben sind, durch die Verwendung eines 3/2 -Wege-Entlastungsventils zur Wasserstoff-Druckentlastung von Wasserstoffleitungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 14 angegeben sind, und durch einen elektrischen Verbraucher wie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 16 angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem besteht im wesentlichen aus zwei Baueinheiten, die im folgenden als Tankmodul und Brennstoffzellenmodul bezeichnet werden. Das Tankmodul umfasst einen oder mehrere Hochdruckbehälter (Tanks), in denen Wasserstoff unter einem Druck von bis zu 80 MPa bevorratet wird. Jeder Tank verfügt bevorzugt über ein Hauptabsperrventil und ist an eine Wasserstoff-Leitung angeschlossen, durch die Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenmodul geleitet wird. In der Wasserstoffleitung befindet sich ein Druckminderer, wobei bei mehreren Tanks für jeden Tank ein eigener Druckminderer vorgesehen werden kann oder mehrere Tanks einen gemeinsamen Druckminderer aufweisen können. Der Druckminderer reduziert den Wasserstoffdruck auf ein Verteiler- Druckniveau von typischerweise 0,3-3,0 MPa, bevorzugt 0,5-1 ,2 MPa, bevor der Wasserstoff das Tankmodul verlässt. Aus dem Tankmodul tritt der Wasserstoff in eine Wasserstoff-Versorgungsleitung ein, die das Tankmodul mit dem Brennstoffzellenmodul verbindet. Das Brennstoffzellenmodul weist eine Brennstoffzellenanordnung, d.h. einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, auf. Auch die zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung erforderlichen Einrichtungen wie Leitungssysteme zur Zuleitung und Ableitung von frischen bzw. gebrauchten Brennstoffzellenmedien, Sensoren, Ventile, Regler, Wasserabscheider, Pumpen, Vorratsbehälter für Kühlwasser, Einrichtungen zur Zuführung von Kathodenbetriebsgas, etc, werden dem Brennstoffzellenmodul zugerechnet.

Das Brennstoffzellenmodul verfügt auch über einen Druckminderer, der den Druck des Wasserstoffs, der aus der Wasserstoff-Versorgungsleitung in die Was- serstoff-Zuführleitung des Brennstoffzellenmoduls eintritt, auf den Betriebsdruck der Brennstoffzellenanordnung verringert. Der Betriebsdruck liegt im allgemeinen geringfügig über dem Umgebungsdruck, bevorzugt bei etwa 100-200 kPa.

Das Brennstoffzellensystem weist also drei Druckbereiche auf, einen Hochdruckbereich stromauf von dem Druckminderer des Tankmoduls, einen Mitteldruckbereich (0,3-3,0 MPa) zwischen dem Druckminderer des Tankmoduls und dem Druckminderer des Brennstoffzellenmoduls, und einen Betriebsdruckbereich (100-200 kPa) stromab von dem Druckminderer des Brennstoffzellenmoduls. Der Druck im Hochdruckbereich ist höher als im Mitteldruckbereich, typischerweise höher als 30 MPa, und kann bis zu 80 MPa betragen.

Bevorzugt sind das Brennstoffzellenmodul und das Tankmodul in sich abgeschlossene Baueinheiten, die räumlich voneinander getrennt untergebracht werden können. Bei einem brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeug ist es beispielsweise sinnvoll, das Tankmodul an einer besonders leicht zugänglichen und gleichzeitig gegen Unfallschäden gut geschützten Stelle unterzubringen, während das Brennstoffzellenmodul im Prinzip an einer beliebigen Stelle, je nach Platzverfügbarkeit, untergebracht werden kann. Die Länge der Wasserstoff-Versorgungsleitung, die die beiden Module verbindet, bemisst sich nach der Einbaudistanz der Module. Üblicherweise ist jedes Modul und auch die Wasserstoff-Versorgungsleitung zwischen den Modulen mit einer schützenden Abdeckung ausgestattet oder in ein Gehäuse eingebaut. Die oben angegebene Modulbauweise ist allerdings keineswegs zwingend. Vielmehr können die Komponenten des Tankmoduls und die Komponenten des Brennstoffzellenmoduls zu einer einzigen Baueinheit kombiniert werden. Auch diese integrierte Baueinheit weist einen Hochdruckbereich, einen Mitteldruckbereich und einen Betriebsdruckbereich mit den oben jeweils angegebenen Drücken auf.

Der in den Leitungen strömende Wasserstoff hat eine hohe Diffusionstendenz, die umso höher ist, je höher der Wasserstoffdruck ist. Insbesondere an allen Stellen, an denen Leitungen miteinander verbunden sind, beispielsweise verschraubt sind, und an allen Stellen, an denen Sensoren oder Aktoren in die Leitungen integriert sind, treten besonders leicht Wasserstoff-Lecks auf. Solange die Wasserstoff-Diffusion nicht gravierend ist, stellt dies bei einem in Betrieb befindlichen Brennstoffzellensystem in der Regel keine Gefahr dar, da das Brennstoffzellensystem mittels Wasserstoff-Sensoren überwacht werden kann und bei einer erhöhten Wasserstoffkonzentration sofort geeignete Maßnahmen, beispielsweise eine Zwangsbelüftung des Systems, eingeleitet werden können, die die Wasserstoff-Konzentration im Bereich des Brennstoffzellensystems absenken.

Anders verhält es sich bei einem abgeschalteten Brennstoffzellensystem. Solange das Brennstoffzellensystem außer Betrieb ist, sind auch die Sicherheitseinrichtungen nicht aktiv, das heißt, ein Austreten von Wasserstoff bleibt unbemerkt und es werden keine Maßnahmen zu seiner raschen Beseitigung getroffen. Ist ein Brennstoffzellensystem längere Zeit außer Betrieb, können sich unter Abdeckungen und in Gehäusen oder in schlecht belüfteten Einbauräumen leicht ausreichende Wasserstoffmengen ansammeln, dass die untere Explosionsgrenze überschritten wird. Besonders gefährdet sind hier alle Bereiche, die sich unter einem höheren Druck als Umgebungsdruck befinden, insbesondere der Mitteldruckbereich des Brennstoffzellensystems. Der Hochdruckbereich, d.h. das Tankmodul, ist zwar ebenfalls gefährdet, hat aber ein vergleichsweise kurzes Leitungssystem und kann überdies meistens so angeordnet werden, dass es automatisch gut belüftet wird, beispielsweise auf dem Dach eines Kraftfahrtzeugs wie eines Omnibusses.

Wird das Brennstoffzellensystem nach einer längeren Pause wieder angefahren, wie es beispielsweise regelmäßig erfolgt, wenn ein Kraftfahrzeug nach einer längeren Parkzeit wieder gestartet wird, können Zündfunken von elektrischen Komponenten des Brennstoffzellensystems wie Sensoren und elektrisch beschalteten Ventilen, das Wasserstoff / Luft-Gemisch zur Explosion bringen. Erfindungsge- maß wird die Entstehung derartiger explosionsfähiger Gemische vermieden, indem beim Abschalten des Brennstoffzellensystems oder unmittelbar danach die unter erhöhtem Wasserstoffdruck stehenden Leitungen, d.h. die Leitungen des Mitteldruckbereichs oder zumindest der größte Teil dieser Leitungen, druckentlastet werden. Die Diffusionstendenz des Wasserstoffs ist am geringsten, wenn der Wasserstoffdruck in den Leitungen im wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck ist oder nur knapp darüber liegt. Zur Bewerkstelligung dieser Druckentlastung ist in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Mitteldruckbereich ein 3/2- Wege-Ventil vorgesehen, das es ermöglicht, mindestens einen Teil des Mitteldruckbereichs, und bevorzugt den gesamten Mitteldruckbereich auf Umgebungsdruck oder einen nur geringfügig höheren Druck zu bringen. Das 3/2-Wege-Ventil befindet sich in der von dem Wasserstofftank zu der Brennstoffzellenanordnung führenden Leitung, wobei der dritte Anschluss an eine nach außen in die Atmosphäre führende Leitung angeschlossen ist. In einer ersten Schaltstellung des 3/2-Wege-Ventils ist der Strömungsweg zwischen Wasserstofftank und Brennstoffzellenanordnung offen, während in der zweiten Schaltstellung des 3/2-Wege- Ventils der Strömungsweg zwischen der Brennstoffzellenanordnung und der umgebenden Atmosphäre offen ist. Das 3/2 -Wege-Ventil ist bevorzugt ein Magnetventil. Die zweite Schaltstellung ist der stromlose Zustand, d.h. die Schaltstellung, wenn das System in einen sicheren Zustand geschaltet werden soll.

Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems befindet sich das 3/2-Wege- Ventil in der ersten Schaltstellung. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems werden das Hauptabsperrventil, falls vorhanden, und bevorzugt auch das Absperrventil im Brennstoffzellenmodul geschlossen und unmittelbar danach, d.h. mit geringstmöglicher Verzögerung, das Entlastungsventil (3/2-Wege-Ventil) in die zweite Schaltstellung geschaltet, so dass der Wasserstoff, der sich in dem Mitteldruckbereich befindet, in die umgebende Atmosphäre entweichen kann. Ausgelöst werden kann das Absperren der Ventile und das Umschalten des 3/2 -Wege- Ventils durch vorbestimmte Vorgänge wie das Abschalten des von dem Brennstoffzellensystem versorgten elektrischen Verbrauchers oder das Detektieren einer Notfallsituation wie das Überschreiten des zulässigen Maximaldrucks des Brennstoffzellensystems.

Das 3/2 -Wege-Ventil sollte möglichst nahe an dem Druckminderer des Tankmoduls angeordnet sein, da nur der stromab von dem 3/2-Wege-Ventil liegende Teil der Leitungen druckentlastet werden kann. Deshalb wird das 3/2-Wege-Ventil be- vorzugt in das Tankmodul integriert und unmittelbar nach dem Druckminderer angeordnet. Alternativ kann das 3/2-Wege-Ventil aber auch stromab von dem Tankmodul angebracht werden, bevorzugt am stromaufwärtigen Ende der Wasserstoff-Versorgungsleitung.

Das 3/2-Wege-Ventil sollte so ausgelegt sein, dass es den Wasserstoff nur langsam entweichen lässt. Ein zu schnelles Entweichen könnte am Ausgang der Druckentlastungsleitung zur Bildung eines explosionsfähigen Wasserstoff / Luft- Gemisches führen. Deshalb sind Ventile mit kleinem Öffnungsquerschnitt bevorzugt. Die Maximalgeschwindigkeit, mit der die Druckentlastung erfolgen darf, hängt vor allem davon ab, in welcher Umgebung die Druckentlastung durchgeführt wird. Befindet sich das Brennstoffzellensystem an einem Einsatzort, an dem zuverlässig für einen schnellen Luftaustausch gesorgt ist, kann die Druckentlastung innerhalb weniger Sekunden erfolgen, während bei Anwendungen wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug die Druckentlastung langsam erfolgen sollte, beispielsweise im Verlauf von mehreren Minuten. Kraftfahrzeuge werden häufig in Umgebungen mit geringem Luftwechsel wie beispielsweise Garagen abgestellt. Welches 3/2-Wege-Ventil für ein bestimmtes Brennstoffzellensystem beziehungsweise eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, kann gegebenenfalls durch einige wenige Versuche ermittelt werden.

Alternativ kann in der Druckentlastungsleitung eine Drosselstelle vorgesehen werden, deren Öffnungsquerschnitt so bemessen ist, dass stets nur so geringe Mengen an Wasserstoff entweichen können, dass am Ausgang der Druckentlastungsleitung die untere Explosionsgrenze von Wasserstoff in Luft nicht erreicht wird. Dann kann als 3/2-Wege-Ventil jedes für Wasserstoff geeignete Ventil, das den erforderlichen Durchfluss durch die Wasserstoff-Versorgungsleitung garantiert, verwendet werden. Der Einbau erfolgt so, dass im stromlosen Zustand die zweite Schaltstellung vorliegt.

Das 3/2-Wege-Ventil kann während der gesamten Zeit, während der das Brennstoffzellensystem abgeschaltet ist, in seiner zweiten Schaltstellung verbleiben. Alternativ kann es auch mittels einer Verzögerungsschaltung nach einer vorbestimmten Zeit wieder in die erste Schaltstellung geschaltet werden. Insbesondere dann, wenn das Ventil in seiner zweiten Schaltstellung verbleibt, ist es bevorzugt, in der Druckentlastungsleitung ein Rückschlagventil vorzusehen, das das Eindringen von Luft und Feuchtigkeit in das Leitungssystem des Brennstoffzellensys- tems verhindert. Das Rückschlagventil sollte einen geringen Öffnungsdruck besitzen, bevorzugt einen Öffnungsdruck, der nur geringfügig über dem Druck der umgebenden Atmosphäre liegt. Geeignet ist beispielsweise ein Öffnungsdruck bis zum Betriebsdruckbereich der Brennstoffzellen, bevorzugt bis zu 10 kPa (100 mbar)

Beim wieder Anfahren des Brennstoffzellensystems wird zuerst das Hauptabsperrventil im Tankmodul (falls vorhanden) geöffnet, dann das 3/2-Wege-Ventil, falls es sich noch in der zweiten Schaltstellung befindet, in die erste Schaltstellung geschaltet, und dann das Absperrventil im Brennstoffzellenmodul, falls es geschlossen war, geöffnet. Der Schaltvorgang kann beispielsweise durch das Anschalten des elektrischen Verbrauches ausgelöst werden. Alternativ ist es natürlich grundsätzlich auch möglich, das 3/2-Wege-Ventil sowie die übrigen Ventile manuell zu betätigen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es wird daraufhin gewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind und nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Merkmale zeigen. Es versteht sich, das weitere Merkmale vorhanden sein können beziehungsweise müssen, um geltenden Sicherheitsvorschriften zu genügen und ein einwandfreies Funktionieren des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten. Diese Merkmale sind jedoch einem Fachmann bekannt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und

Fig. 2 Schaltstellungen des erfindungsgemäß verwendeten 3/2-Wege-Ventils.

Fig.1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ein Tankmodul 2 und ein Brennstoffzellenmodul 3, wobei Wasserstoff aus dem Tankmodul 2 durch eine Wasserstoff-Versorgungsleitung 4 in das Brennstoffzellenmodul 3 strömen kann.

In der dargestellten Ausführungsform weist das Tankmodul 2 einen Wasserstoff- Hochdruckvorratsbehälter (Tank) 20, ein Hauptabsperrventil 23 für den Tank 20 und einen Druckminderer 24 auf. Durch eine Wasserstoff-Leitung 21 kann Wasserstoff aus dem Tank 20 zu dem Druckminderer 24 strömen. Hier wird der Was- serstoffdruck auf einen Druck von bevorzugt 0,5 MPa bis 1 ,2 MPa reduziert und durch eine Wasserstoff-Leitung 22 weitergeleitet. Er strömt durch das 3/2-Wege- Ventil 25 und gelangt in die Wasserstoff-Versorgungsleitung 4, die an der Anschlussstelle 5 an die Wasserstoff-Leitung 22 angeschlossen ist. Die Länge der Wasserstoff-Versorgungsleitung 4 hängt ab von der Distanz zwischen Tankmodul 2 und Brennstoffzellenmodul 3, was durch die gepunktete Linie angedeutet ist. An der Anschlussstelle 6 ist die Wasserstoff-Versorgungsleitung 4 mit dem Brennstoffzellenmodul 3 verbunden. Von hier aus strömt Wasserstoff durch eine Wasserstoff-Zuführleitung 31 , in der sich ein Absperrventil 33 befindet, zu einem Druckminderer 34, der den Wasserstoffdruck auf den Betriebsdruck der Brennstoffzellen in der Brennstoffzellenanordnung 30 reduziert. Aus dem Druckminderer 34 strömt der Wasserstoff schließlich durch die Wasserstoff-Zuführleitung 32 in die Brennstoffzellenanordnung 30.

Anodenabgas verlässt die Brennstoffzellenanordnung 30 durch eine Anodenabgasleitung 35 und wird mittels einer Anodenabgas- ezirkulierungspumpe 39 durch eine Anodenabgas-Rezirkulierungsleitung 38 in die Wasserstoff-Zuführleitung 32 rezirkuliert. Periodisch wird ein Teil des Anodenabgases durch eine Anodenabgas-Entlassungsleitung 36 in die umgebende Atmosphäre entlassen. Normalerweise ist die Leitung 36 mittels des Absperrventils 37 verschlossen.

Kathoden-Betriebsgas tritt durch eine Luftzuführleitung 10 in die Brennstoffzellenanordnung 30 ein und verlässt diese wieder durch eine Kathodenabgasleitung 11 . Kühlwasser tritt durch eine Kühlwasserzuführleitung 12 in die Brennstoffzellenanordnung 30 ein und verlässt diese durch eine Kühlwasserentlassungsleitung 13.

Das Tankmodul 2 befindet sich in der dargestellten Ausführungsform in einem Gehäuse 28, und das Brennstoffzellenmodul 3 ist in ein Gehäuse 14 eingebaut. Eine Abdeckung 7 schützt die Wasserstoff-Versorgungsleitung 4.

Während des Betriebs des Brennstoffzellen Systems 1 sind die Ventile 23 und 33 geöffnet, und das 3/2-Wege-Ventil 25 befindet sich in seiner ersten Schaltstellung, die eine Strömung von Wasserstoff aus dem Tank 20 in die Brennstoffzellenanordnung 30 erlaubt. Wasserstoff-Sensoren (nicht dargestellt) im Inneren der Einhausungen 4, 14 überwachen, ob Wasserstoff aus dem Leitungssystem herausdiffundiert oder leckt. Wird das Auftreten von Wasserstoff detektiert, wird so- fort eine Zwangsbelüftung eingeleitet, beispielsweise durch geeignete Gebläse (nicht dargestellt).

Wenn das Brennstoffzellensystem 1 abgeschaltet wird, fallen Sicherungssysteme wie Wasserstoff-Detektoren und Gebläse, die für einen raschen Luftaustausch sorgen, aus. Um in diesem Fall dennoch die Sicherheit des Brennstoffzellensystems 1 zu gewährleisten, werden erfindungsgemäß die Ventile 23 und 33 geschlossen und dann das 3/2-Wege-Ventil 25 in seine zweite Schaltstellung geschaltet, d.h. stromlos geschaltet. In der zweiten Schaltstellung ist der Strömungsweg durch die Wasserstoff-Leitung 22 gesperrt und stattdessen der Strömungsweg von der Wasserstoff-Versorgungsleitung 4 in eine Wasserstoff-Druckentlastungsleitung 26 geöffnet. In diesen„sicheren Zustand" wird das System auch dann geschaltet, wenn aus irgendeinem Grund eine Notabschaltung durchgeführt werden muss, beispielsweise wenn in irgendeinem Bereich der Brennstoffzellenanordnung oder des Leitungssystems durch Sensoren ein zu hoher Druck oder eine zu hohe Temperatur detektiert wird. In der Wasserstoff-Druckentlastungsleitung 26 befindet sich ein Rückschlagventil 27, das bei einem Öffnungsdruck, der höchstens dem Betriebsdruck der Brennstoffzellenanordnung 30 entspricht oder darunter liegt, bevorzugt bei weniger als 10 mbar über Atmosphärendruck, öffnet. Auf diese Weise wird Wasserstoff, der sich in dem Mitteldruckbereich zwischen dem 3/2-Wege-Ventil 25 und dem Absperrventil 33 befindet, beziehungsweise zwischen dem 3/2-Wege-Ventil 25 und dem Druckminderer 34 (bei geöffnetem Absperrventil 33) befindet, in die umgebende Atmosphäre entlassen, bis der Wasserstoffdruck in diesem Bereich den Öffnungsdruck des Rückschlagventils 27 unterschreitet. Eine Drosselstelle 9 stellt sicher, dass der Wasserstoff langsam entweicht. Alternativ kann dies auch durch einen entsprechend geringen Öffnungsquerschnitt des 3/2-Wege-Ventils 25 erreicht werden.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, wird die Leitung 22 zwischen dem Druckminderer 24 und dem 3/2-Wege-Ventil 25 nicht druckentlastet. Daher ist es sinnvoll, das 3/2-Wege-Ventil 25 in das Tankmodul 2 zu integrieren und unmittelbar nach dem Druckminderer 24 anzubringen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das 3/2- Wege-Ventil 25 außerhalb des Tankmoduls 2 vorzusehen, d.h. in der Wasserstoff- Versorgungsleitung 4. Diese Ausführungsform ist durch das mit gestricheltem Linien dargestellte Gehäuse 29 des Tankmoduls 2 angedeutet. Bei einem erneuten Anfahren des Brennstoffzellensystems 1 wird das Ventil 23 geöffnet und das 3/2-Wege-Ventil 25 wieder in die erste Schaltstellung geschaltet. Dann wird das Ventil 33 geöffnet, falls es geschlossen war. Das Schalten der Ventile kann manuell oder automatisch erfolgen. Bevorzugt werden Magnetventile verwendet.

Figur 2 zeigt die Schaltstellungen des 3/2-Wege-Ventils 25. Die erste Schaltstellung ermöglicht eine Wasserstoffströmung aus der Wasserstoff-Leitung 22 in die Wasserstoff-Versorgungsleitung 4, und die zweite Schaltstellung ermöglicht eine Wasserstoffströmung aus der Wasserstoff-Versorgungsleitung 4 in die Wasserstoff-Druckentlastungsleitung 26, und von dort in die umgebende Atmosphäre. Die zweite Schaltstellung ist der stromlose („sichere") Zustand des Magnetventils 25. Der Öffnungsquerschnitt des 3/2-Wege-Ventils 25 ist so zu wählen, dass in der ersten Schaltstellung stets ausreichend Wasserstoff zu der Brennstoffzellenanordnung 30 strömen kann, und in der zweiten Schaltstellung stets nur so viel Wasserstoff in die umgebende Atmosphäre entweichen kann, dass durch den natürlichen Luftwechsel die Entstehung eines zündfähigen Wasserstoff / Luft-Gemisches vermieden wird. Bei einem größeren Öffnungsquerschnitt kann stromab von dem 3/2-Wege-Ventil 25 eine Drosselstelle 9 mit entsprechend geringem Öffnungsquerschnitt in der Wasserstoff-Druckentlastungsleitung 26 vorgesehen werden.