Während des Betriebs eines brennstoffzellenelektrischen Fahrzeuges kann es im Betrieb unter gewissen Bedingungen zu schnellen Lastwechseln an der Brennstoffzelle kommen. Primär beim Abschalten der Brennstoffzelle und unter schnellen Lastwechseln an der Brennstoffzelle ist es erforderlich, dass die Luftzufuhr unterbrochen oder vermindert wird. Die zum Einsatz kommenden Verdichter sind jedoch meistens nicht in der Lage schnellen Lastwechselszenarios zu folgen. Absperrventile (Shut-Off-Ventile) ermöglichen es nach dem Abstellen des Fahrzeugs die Brennstoffzelle zu isolieren. Während der Fahrt müsste bei der Verwendung eines Absperrventils zur Reaktion auf Lastwechsel der Verdichter jedoch komplett heruntergefahren werden, um Druckspitzen im System zu verhindern. Überdruckventile in der Form eines Kathoden-Bypass-Ventils ermöglichen es, den Luftstrom an der Brennstoffzelle vorbei in den Abgasstrang zu leiten, sodass ein Herunterfahren des Verdichters bei schnellen Lastwechseln im Betrieb nicht erforderlich ist. [1]

Arten
Die Integration des Kathoden-Bypass-Ventils kann an unterschiedlichen Stellen erfolgen. An Position (1) fungiert das Ventil als Systembypass, sodass auch der Befeuchter nicht durchströmt wird. Dies hat den Vorteil, dass zusätzliche Funktionen (z.B. ein Befeuchter-Bypass) mit in das Ventil integriert werden können und die Systemkomplexität folglich verringert wird. Ebenso wird der Befeuchter im Betrieb über den Bypass nicht trocken geblasen.
An Position (2) fungiert das Ventil als Stackbypass. Dort lässt sich die Bypass- mit der Shut-Off-funktion in einem Ventilblock integrieren, was ebenso die Komplexität verringert. Im Betrieb wird jedoch der Befeuchter über den Bypass ausgetrocknet. Nach Abschalten des Stacks kann jedoch der Feuchteaustrag aus dem Befeuchter über den Bypass umgesetzt werden, wodurch Frostschäden vorgebeugt werden.
Folglich sind beide Integrationspositionen möglich und im Einzelfall von der Betriebsstrategie sowie der gewünschten Funktionsintegration abhängig.

Materialeigenschaften
Entscheidende Kernparameter sind zum einen, dass durch das Ventil kein signifikanter Differenzdruck die Systemeffizienz mindert. Ebenso ist eine geringe Schaltzeit bei gleichzeitig geringem Energiebedarf erforderlich und die Leckagerate zu minimieren. Des Weiteren ist die Produktdimensionierung und Materialwahl neben mechanischen und thermischen Beanspruchungen auf die chemischen Beanspruchungen und im genaueren den Kontakt zu Produktwasser auszulegen. [1]
Herausforderung
Aktuelle Entwicklungen fokussieren sich darauf mehrere Funktionen in einen Ventilblock zu integrieren wie beispielsweise die Shut-Off-Ventile oder ein Befeuchter-Bypassventil, um die Systemkomplexität zu minimieren, Verrohrungskomponenten einzusparen und folglich unter anderem den Bauraum zu optimieren.
Literatur
[1] Guy Crepet, Samuel Guesne, Dominique Didier, Louis Laire und Pierre Pacot, Development of a Bypass Valve to Improve Fuel Cell Safety and Durability, 2022. [Online]. Verfügbar unter: https://monarch.qucosa.de/id/qucosa:79199