DE102011109892A1 - Fuel cell system e.g. lithium ion battery system, for providing electrical driving power to vehicle, has expander switched with higher pressure level, where expanded part of expanded fuel in storage areas returns with lower pressure level - Google Patents

Fuel cell system e.g. lithium ion battery system, for providing electrical driving power to vehicle, has expander switched with higher pressure level, where expanded part of expanded fuel in storage areas returns with lower pressure level Download PDF

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Abstract

The system (1) has a fuel cell (3) i.e. proton exchange membrane fuel cell, comprising an air conveying device (6) for supplying air to a cathode chamber (5) of the fuel cell. An expander (19) relieves the fuel from a compressed gas reservoir (7). The compressed gas reservoir comprises two separate storage areas (15, 16) that are on different pressure levels, or brought with different pressure levels. The expander is switched from the storage areas with the higher pressure level, and expanded part of the expanded fuel in the storage areas returns with a lower pressure level. Independent claims are also included for the following: (1) a method for operating a fuel cell system (2) a method for starting a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Starten eines solchen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell system and to a method for starting such a fuel cell system.

Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird in der DE 101 54 637 A1 beschrieben. In dem dortigen Brennstoffzellensystem ist ein Expander vorgesehen, über welchen Druckenergie in dem unter hohem Druck gespeicherten Brennstoff in mechanische Energie umgewandelt wird, welche dann in dem Brennstoffzellensystem genutzt werden kann. Als vorrangige Nutzung wird dabei die Verwendung zum Antreiben einer Luftfördereinrichtung beschrieben.A generic fuel cell system is in the DE 101 54 637 A1 described. In the local fuel cell system, an expander is provided, via which pressure energy is converted in the fuel stored under high pressure into mechanical energy, which can then be used in the fuel cell system. In this case, the use for driving an air conveying device is described as a priority use.

Aus der DE 10 2006 003 799 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem über eine Turbine zum Entspannen des Brennstoffs ein Rezirkulationsgebläse in einem Anodenkreislauf für den Brennstoff angetrieben wird.From the DE 10 2006 003 799 A1 For example, a fuel cell system is known in which a recirculation fan in an anode circuit for the fuel is driven via a turbine for relaxing the fuel.

Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der DE 100 18 087 A1 ist außerdem ein elektrischer Turbolader bekannt, welcher zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird. Dabei ist ein Kupplungsmittel, vorzugsweise eine Überholkupplung beziehungsweise ein Freilauf, zwischen der Turbine und einer elektrischen Maschine beziehungsweise der mit ihr gekoppelten Luftfördereinrichtung vorgesehen.From the further general state of the art in the form of DE 100 18 087 A1 In addition, an electric turbocharger is known which is used for supplying air to a fuel cell system. In this case, a coupling means, preferably an overrunning clutch or a freewheel, is provided between the turbine and an electrical machine or the air conveying device coupled to it.

Die Verwendung von Druckenergie aus dem Druckgasspeicher für den Brennstoff ist prinzipiell sinnvoll und kann zumindest einen Teil der zum Verdichten des Brennstoffs benötigten Energie in dem Brennstoffzellensystem zurückgewinnen. Nun ist es so, dass die Druckdifferenz typischerweise sehr hoch ist, beispielsweise wenn der Druckgasspeicher mit einem Nenndruck von 750 bar und das Brennstoffzellensystem mit einem Nenndruck von 1 bis 3 bar betrieben wird. In diesem Fall muss eine sehr große Druckdifferenz abgebaut werden, welche häufig nicht gänzlich im Bereich der Turbine genutzt werden kann, sodass anderweitige Druckminderungseinrichtungen notwendig sind, welche wiederum Druckenergie ungenutzt lassen. Außerdem kann, insbesondere wenn über den Expander zum Entspannen des Brennstoffs die Luftfördereinrichtung angetrieben wird, eine Situation auftreten, in welcher weniger Brennstoff in der Brennstoffzelle benötigt wird, als zum Erzeugen der Leistung Antrieb der Luftfördereinrichtung notwendig ist. In diesem Fall, welcher insbesondere beim Start eines Brennstoffzellensystems auftreten kann, kann die Luftfördereinrichtung dann nicht oder nicht ausschließlich über den Expander und die Druckenergie des Brennstoffs angetrieben werden. In diesem Fall ist es dann an sich bekannt und üblich, die Luftfördereinrichtung über einen Elektromotor und eine entsprechende Hochvoltbatterie anzutreiben. Dies ist auch im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems allgemein bekannt und üblich, beispielsweise dann, wenn auf einen Expander zur Rückgewinnung des Drucks aus dem Brennstoff verzichtet wird.The use of pressure energy from the compressed gas storage for the fuel is useful in principle and can recover at least a portion of the energy required to compress the fuel in the fuel cell system. Now it is so that the pressure difference is typically very high, for example when the compressed gas storage is operated with a nominal pressure of 750 bar and the fuel cell system with a nominal pressure of 1 to 3 bar. In this case, a very large pressure difference must be reduced, which often can not be used entirely in the area of the turbine, so that other pressure reduction devices are necessary, which in turn leave pressure energy unused. In addition, especially when the air conveyor is driven via the expander for releasing the fuel, a situation may arise in which less fuel is needed in the fuel cell than is necessary for generating the power drive of the air conveyor. In this case, which can occur in particular when starting a fuel cell system, the air conveyor can then not or not exclusively driven by the expander and the pressure energy of the fuel. In this case, it is then known and customary to drive the air conveying device via an electric motor and a corresponding high-voltage battery. This is also well-known and customary in regular operation of the fuel cell system, for example, when an expander for recovering the pressure from the fuel is dispensed with.

Nachteilig bei diesem Aufbau ist es aber, dass immer eine Hochvoltbatterie mit ausreichend großer Ladekapazität vorgehalten werden muss, insbesondere um das Brennstoffzellensystem starten zu können und während eines solchen Starts des Brennstoffzellensystems die Luftfördereinrichtung betreiben zu können. Derartige Hochvoltbatterien sind aber vergleichsweise aufwändig, schwer und teuer.A disadvantage of this structure, however, is that always a high-voltage battery with sufficiently large charging capacity must be maintained, in particular to start the fuel cell system and to be able to operate the air conveyor during such a start of the fuel cell system. However, such high-voltage batteries are comparatively complicated, heavy and expensive.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einfach und energieeffizient gestartet werden kann, und welches insbesondere auf die Verwendung einer Hochvoltbatterie verzichten kann.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system, which can be started easily and energy efficient, and which can dispense in particular with the use of a high-voltage battery.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ferner ist ein besonders günstiges Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 beschrieben. Anspruch 10 beschreibt in seinem kennzeichnenden Teil ein sehr vorteilhaftes Verfahren zum Starten eines solchen Brennstoffzellensystems.According to the invention, this object is achieved by the fuel cell system with the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments of the fuel cell system resulting from the dependent therefrom dependent claims. Furthermore, a particularly favorable method for operating such a fuel cell system with the features in the characterizing part of claim 9 is described. Claim 10 describes in its characterizing part a very advantageous method for starting such a fuel cell system.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sieht, wie auch das eingangs beschriebene gattungsgemäße Brennstoffzellensystem, einen Expander vor, welcher über eine Antriebsverbindung mit der Luftfördereinrichtung verbunden ist. Der Expander wird dabei mit Druck aus dem Druckgasspeicher angetrieben. Anders als im Stand der Technik weist der Druckgasspeicher hier aber wenigstens zwei unterschiedliche Speicherbereiche auf, welche getrennt voneinander ausgebildet sind. Diese werden auf einem unterschiedlichen Druckniveau gehalten oder können über geeignete Mittel und Maßnahmen auf ein unterschiedliches Druckniveau gebracht werden. Der Expander wird nun immer mit Druck aus dem Speicherbereich mit dem höheren Druckniveau versorgt und speist zumindest einen Teil des ihn durchströmenden Gases in den Speicherbereich mit dem niedrigeren Druckniveau zurück.The fuel cell system according to the invention, like the generic fuel cell system described at the beginning, provides an expander which is connected to the air conveying device via a drive connection. The expander is driven by pressure from the compressed gas storage. Unlike in the prior art, the compressed gas storage here but at least two different memory areas, which are formed separately. These are kept at a different pressure level or can be brought to a different pressure level via suitable means and measures. The expander is now always supplied with pressure from the storage area with the higher pressure level and feeds at least a portion of the gas flowing through it back into the storage area with the lower pressure level.

Dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er immer mit einem definierten Druckniveau in der Lage ist, den Expander zum Antrieb der Luftfördereinrichtung anzutreiben. Dabei wird unabhängig davon, ob das über den Expander entspannte Gas ganz oder nur teilweise in dem Brennstoffzellensystem gebraucht wird, immer eine benötigte Antriebsleistung im Bereich des Expanders zur Verfügung stehen. Nicht benötigtes Gas kann dann wieder in den Bereich mit dem niedrigeren Druckniveau zurückgeführt werden. Der Expander arbeitet also faktisch zwischen diesen beiden Druckniveaus mit einem beispielsweise über eine Ventileinrichtung einstellbaren Gasstrom, sodass die Leistung, welche von dem Expander an die Luftfördereinrichtung abgegeben wird, ideal an die notwendigen Bedingungen angepasst werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Expander beim Start des Brennstoffzellensystems betrieben wird, da in dieser Situation häufig noch kein oder nicht allzu viel Brennstoff im Bereich der Brennstoffzelle benötigt wird. Dennoch kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau und die erfindungsgemäße Verschaltung ein Betrieb des Expanders mit ausreichender Leistung realisiert werden. Auf einen elektrischen Zusatzantrieb der Luftfördereinrichtung während des Startvorgangs kann dann verzichtet werden. Dadurch muss keine Hochvoltbatterie zum Starten des Brennstoffzellensystems mehr vorhanden sein, sondern zur Betätigung von Ventilen, Aktuatoren und dergleichen reicht typischerweise eine sehr viel kleinere und einfachere Starterbatterie in 12 V-Technologie aus. Eine Hochvoltbatterie mit typischerweise mehr als 64 V ist dann nicht mehr notwendig. Dies spart Kosten und erhöht die Sicherheit des Systems, da Hochvoltbatterien im Fehlerfall potentiell gefährlich sind, da sie Gleichstrom mit einer so hohen Spannung abgeben, dass dies beispielsweise für Personen, welche bei einem Unfall oder dergleichen mit diesen in Kontakt kommen, gefährlich werden kann.This structure of the fuel cell system has the decisive advantage that it always with a defined pressure level is able to drive the expander to drive the air conveyor. Regardless of whether the gas expanded via the expander is used completely or only partially in the fuel cell system, a required drive power in the area of the expander will always be available. Unnecessary gas can then be returned to the lower pressure level area. The expander thus actually operates between these two pressure levels with a gas flow which can be adjusted, for example, via a valve device, so that the power which is output by the expander to the air conveying device can be ideally adapted to the necessary conditions. This is particularly advantageous when the expander is operated at the start of the fuel cell system, since in this situation often no or not too much fuel in the fuel cell is needed. Nevertheless, by the construction according to the invention and the interconnection according to the invention an operation of the expander can be realized with sufficient power. On an electric auxiliary drive of the air conveyor during the startup can then be dispensed with. As a result, there is no need to have a high-voltage battery for starting the fuel cell system, but to operate valves, actuators and the like, a much smaller and simpler starter battery in 12 V technology typically suffices. A high-voltage battery with typically more than 64 V is then no longer necessary. This saves costs and increases the safety of the system, as high-voltage batteries are potentially dangerous in the event of a fault, because they deliver direct current with such high voltage that this can be dangerous, for example, for persons who come into contact with them in the event of an accident or the like.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist eine schaltbare Bypassleitung um den Expander vorgesehen ist. Eine solche schaltbare Bypassleitung um den Expander ermöglicht es, das Brennstoffzellensystem mit Brennstoff zu versorgen, ohne dabei den Expander zu betreiben. Dies kann beispielsweise während des regulären Betriebs des Brennstoffzellensystems von Vorteil sein. In diesen Situationen liefert das Brennstoffzellensystem genug elektrische Leistung, um die benötigte elektrische Leistung nach außen abzugeben und gleichzeitig ihre Peripheriegeräte wie beispielsweise die Luftfördereinrichtung mit selbsterzeugter Leistung anzutreiben. In diesen Situationen kann der Expander dann über die Bypassleitung umgangen werden. Der Expander wird in diesen Situationen nicht angetrieben. Dadurch wird ein einfacher und effizienter Aufbau des Expanders möglich, da dieser insbesondere nur während der Startphasen des Brennstoffzellensystems betrieben werden muss. In den anderen Phasen wird er nicht betrieben, sodass hier auch kein Verschleiß am Expander auftreten kann, und dieser, trotz einer einfachen und kostengünstigen Auslegung, eine hohe Lebensdauer erreicht.In a further very favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention, a switchable bypass line is provided around the expander. Such a switchable bypass line around the expander makes it possible to supply the fuel cell system with fuel, without operating the expander. This may be advantageous during regular operation of the fuel cell system, for example. In these situations, the fuel cell system provides enough electrical power to deliver the needed electrical power to the outside while driving its peripherals, such as the self-powered air delivery device. In these situations, the expander can then be bypassed via the bypass line. The expander is not powered in these situations. Thereby, a simple and efficient construction of the expander is possible, since this particular only needs to be operated during the startup phases of the fuel cell system. In the other phases, it is not operated, so that there can be no wear on the expander, and this, despite a simple and inexpensive design, achieved a long life.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass die Luftfördereinrichtung über eine weitere Antriebsverbindung mit einer elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die weitere Antriebsverbindung eine Kupplung oder einen Freilauf aufweist. Eine solche Kupplung oder ein solcher Freilauf, welcher in einer vorteilhaften Weiterbildung auch zwischen dem Expander und der Luftfördereinrichtung vorgesehen sein kann, ermöglicht einen sehr einfachen und effizienten Betrieb der Luftfördereinrichtung über den Expander, ohne dass die elektrische Maschine mit bewegt werden muss. Je nach Typ der elektrischen Maschine werden dadurch mehr oder weniger große Schleppverluste vermieden, welche die vom Expander an die Luftfördereinrichtung lieferbare Leistung schmälern würden.In an advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it may further be provided that the air conveyor is connected via a further drive connection with an electric machine, wherein the further drive connection comprises a clutch or a freewheel. Such a clutch or such a freewheel, which may be provided in an advantageous development between the expander and the air conveyor, allows a very simple and efficient operation of the air conveyor via the expander, without the electric machine must be moved with. Depending on the type of electric machine, more or less large drag losses are avoided, which would reduce the power available from the expander to the air conveyor.

In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass wenigstens einer der Speicherbereiche über bewegliche Elemente jeweils in seinem Speichervolumen beeinflussbar ist. Zumindest einer, vorteilhafterweise alle der Speicherbereiche, wobei vorzugsweise zwei derartige Speicherbereiche vorhanden sind, können gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems über bewegliche Elemente in ihrem Volumen beeinflusst werden. Solche beweglichen Elemente können beispielsweise Gaskissen aufweisen und/oder Kolben. Sie können dann mechanisch beispielsweise über einen Elektromotor mit einer Spindel oder durch Druckbeaufschlagung des Gaskissens in ihren Ausdehnungen entsprechend beeinflusst und so bewegt werden, dass sich das Speichervolumen des jeweiligen Speicherbereichs entsprechend verändert. Dadurch kann aktiv Einfluss auf das Druckniveau in dem jeweiligen Speichervolumen genommen werden. Dieser Aufbau ist sehr flexibel in der Anwendung, da er die Bereitstellung des zur Nutzung des Expanders erforderlichen Druckunterschieds zwischen den einzelnen Speicherbereichen generieren kann. Beispielsweise kann über eine 12 V-Starterbatterie und einen kleinen Elektromotor über ein geeignetes Getriebe und eine Gewindestange oder dergleichen einer der Speicherbereiche entsprechend in seinem Speichervolumen verringert werden. Dadurch steigt der Druck in diesem Speicherbereich an. Bei unverändertem oder sogar vergrößertem Speichervolumen des zweiten Speicherbereichs entsteht so einfach und effizient der benötigte Druckunterschied, um den Expander anzutreiben.In a very advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it is also provided that at least one of the storage areas can be influenced by movable elements in each case in its storage volume. At least one, advantageously all of the storage areas, wherein preferably two such storage areas are present, can be influenced in their volume via movable elements according to this advantageous development of the fuel cell system according to the invention. Such movable elements may include, for example, gas bags and / or pistons. They can then be mechanically influenced, for example, via an electric motor with a spindle or by pressurizing the gas cushion in their expansions and moved so that the storage volume of the respective storage area changes accordingly. This can actively influence the pressure level in the respective storage volume. This setup is very flexible in use, as it can generate the required pressure difference between the individual storage areas to use the expander. For example, via a 12 V starter battery and a small electric motor via a suitable gear and a threaded rod or the like one of the storage areas can be reduced accordingly in its storage volume. This increases the pressure in this memory area. With unchanged or even increased storage volume of the second storage area so easily and efficiently creates the required pressure difference to drive the expander.

Im Anspruch 9 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung angegeben. Dabei ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzufuhr zu dem Anodenraum der Brennstoffzelle aus den wenigstens zwei Speicherbereichen so erfolgt, dass immer unterschiedliche Druckniveaus in den wenigstens zwei Speicherbereichen vorliegen. Die wenigstens zwei getrennt ausgebildeten Speicherbereiche werden also beim Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht bewusst gleichmäßig, sondern bewusst ungleichmäßig entleert. Dadurch ist immer, auch ohne dass hierauf beispielsweise in der zuvor beschriebenen Art und Weise Einfluss genommen wird, das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Druckniveaus gewährleistet. So ist zumindest ein Starten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise seiner Luftfördereinrichtung durch den Betrieb des Expanders immer möglich. In claim 9, a method for operating a fuel cell system according to the invention is given. It is provided that the fuel supply to the anode space of the fuel cell from the at least two memory areas is carried out so that there are always different pressure levels in the at least two memory areas. The at least two separately formed memory areas are thus not deliberately evenly, but deliberately unevenly emptied during operation of the fuel cell system. As a result, the influence of two different pressure levels is always ensured, even without influencing them, for example in the manner described above. Thus, at least starting the fuel cell system or its air conveying device by the operation of the expander is always possible.

Im Anspruch 10 ist ein Verfahren zum Starten eines derartigen Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung angegeben. Dieses Startverfahren sieht es vor, falls kein ausreichender Unterschied im Druckniveau zwischen den wenigstens zwei Speicherbereichen vorliegt, dass ein solcher durch die beweglichen Elemente verursacht wird, wobei danach oder, falls dieser Druckunterschied ohnehin vorliegt sofort, die Luftfördereinrichtung durch den Expander angetrieben wird, bis die Brennstoffzelle ausreichend viel elektrische Leistung erzeugt, sodass mit dieser elektrischen Leistung die Luftfördereinrichtung elektromotorisch angetrieben werden kann. Bei dieser Verfahrensführung wird also der Start der Luftfördereinrichtung ausschließlich über den Expander vorgenommen, ein elektromotorischer Antrieb der Luftfördereinrichtung erfolgt erst dann, wenn die Brennstoffzelle eine ausreichende elektrische Leistung selbst zur Verfügung stellt. Der Aufbau ermöglicht es, sehr einfach und effizient das Brennstoffzellensystem zu starten, und, wie oben bereits beschrieben worden ist, kann das Brennstoffzellensystem dadurch unter Verzicht auf eine Hochvoltbatterie ausgebildet werden. Dies ist hinsichtlich des Startens, des gesamten Aufbaus, der Kosten, des Bauvolumens, des Systemgewichts und der Systemsicherheit von entscheidendem Vorteil.In claim 10, a method for starting such a fuel cell system according to the invention is given. This starting method provides, if there is no sufficient difference in the pressure level between the at least two storage areas that such is caused by the movable elements, after which or if this pressure difference is present anyway, the air conveyor is driven by the expander until the Fuel cell generates sufficient electrical power so that the air conveyor can be driven by electric motor with this electric power. In this procedure, therefore, the start of the air conveyor is made exclusively via the expander, an electric motor drive of the air conveyor takes place only when the fuel cell provides sufficient electrical power itself. The structure makes it possible to easily and efficiently start the fuel cell system, and as described above, the fuel cell system can thereby be formed by dispensing with a high-voltage battery. This is critical in terms of start-up, overall design, cost, build volume, system weight, and system security.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verfahrensführung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention as well as its process management result from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung in einem Fahrzeug; 1 a principle indicated fuel cell system according to the invention in a vehicle;

2 einen Druckgasspeicher gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform; 2 a compressed gas storage according to the invention in a second possible embodiment;

3 einen Druckgasspeicher gemäß der Erfindung in einer dritten möglichen Ausführungsform; und 3 a compressed gas storage according to the invention in a third possible embodiment; and

4 einen Druckgasspeicher gemäß der Erfindung in einer vierten möglichen Ausführungsform. 4 a compressed gas storage according to the invention in a fourth possible embodiment.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem Ausschnitt zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 und soll vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für eben dieses Fahrzeug 2 dienen. Eine Brennstoffzelle 3, welche vorzugsweise als PEM-Brennstoffzelle beziehungsweise Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet ist, weist einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf. Dem Kathodenraum 5 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff aus einem später noch näher beschriebenen Druckgasspeicher 7 zugeführt. Die Abgase aus dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 werden aus der Brennstoffzelle 3 abgeleitet und können beispielsweise über einen optional angedeuteten Brenner 8 nachverbrannt werden, um Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern. Die Abgase der Brennstoffzelle 3 oder, falls der Brenner 8 vorhanden ist, des Brenners, können dann über eine optionale Turbine 9 entspannt werden. Die Turbine 9 kann dabei zusammen mit der Luftfördereinrichtung 6 und einer Elektromaschine 10 in Antriebsverbindung stehen beziehungsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Die im Bereich der Turbine 9 anfallende Leistung kann so zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 genutzt werden. Wird im Bereich der Luftfördereinrichtung 6 mehr Leistung benötigt, dann kann diese über die elektrische Maschine 10 zugeführt werden. Falls im Bereich der Turbine 9 eine höhere Leistung vorliegt als im Bereich der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 10 auch generatorisch zur Erzeugung von elektrischer Leistung betrieben werden.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 to recognize in a section. The fuel cell system 1 is in a vehicle indicated in principle 2 and is preferably intended to provide electrical drive power for just this vehicle 2 serve. A fuel cell 3 , which is preferably formed as a PEM fuel cell or stack of PEM fuel cells, has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5 on. The cathode compartment 5 is via an air conveyor 6 Air supplied as an oxygen supplier. The anode compartment 4 Hydrogen is from a later described in more detail compressed gas storage 7 fed. The exhaust gases from the anode compartment 4 and the cathode compartment 5 become from the fuel cell 3 derived and can, for example, an optionally indicated burner 8th be burned off to prevent hydrogen emissions to the environment. The exhaust gases of the fuel cell 3 or, if the burner 8th is present, of the burner, can then have an optional turbine 9 to be relaxed. The turbine 9 can together with the air conveyor 6 and an electric machine 10 be in drive connection or be arranged on a common shaft. This structure is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). The in the area of the turbine 9 resulting power can be used to drive the air conveyor 6 be used. Is in the area of the air conveyor 6 requires more power, then this can be done via the electric machine 10 be supplied. If in the area of the turbine 9 a higher power than in the area of the air conveyor 6 is needed, then the electric machine 10 also be operated as a generator for generating electrical power.

Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird typischerweise mehr Wasserstoff als Brennstoff zugeführt, als in diesem umgesetzt werden kann. Der Restwasserstoff gelangt dann, wie bereits erwähnt, in den optionalen Brenner 8 oder kann, wie es ebenfalls aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, in einem sogenannten Anodenkreislauf 11 rezirkuliert werden. Rein beispielhaft ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine solche Anodenrezirkulation 11 mit einer Gasstrahlpumpe 12 als Rezirkulationsfördereinrichtung dargestellt. Die Gasstrahlpumpe 12 wird vom frischen Wasserstoffstrom angetrieben und saugt das Abgas aus dem Anodenraum 4 entsprechend an und führt es vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 4 erneut zu. Mit der Zeit reichern sich in der Anodenrezirkulation 11 unerwünschte inerte Gase und Wasser an. Dies senkt die Wasserstoffkonzentration in der Anodenrezirkulation 11 und wirkt sich nachteilig auf die Performance der Brennstoffzelle 3 aus. Daher kann über eine Ventileinrichtung 13 beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration Gas und Wasser aus der Anodenrezirkulation 11 abgelassen werden.The anode compartment 4 the fuel cell 3 Typically, more hydrogen than fuel is supplied than can be reacted therein. The residual hydrogen then passes, as already mentioned, in the optional burner 8th or, as is also known from the general state of the art, in a so-called anode circulation 11 be recirculated. By way of example, in the embodiment shown here, such an anode recirculation 11 with a gas jet pump 12 shown as a recirculation conveyor. The gas jet pump 12 is from the fresh hydrogen flow driven and sucks the exhaust gas from the anode compartment 4 accordingly and leads it mixed with the fresh hydrogen to the anode compartment 4 again. Over time, accumulate in the anode recirculation 11 unwanted inert gases and water. This lowers the hydrogen concentration in the anode recirculation 11 and adversely affects the performance of the fuel cell 3 out. Therefore, via a valve device 13 For example, from time to time or depending on the hydrogen concentration of gas and water from the anode recirculation 11 be drained.

Beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass die Edukte im Bereich der Brennstoffzelle 3 bereit gestellt werden müssen. Hierfür kann Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 über ein Druckregel- und Dosierventil 14 zugeführt werde. Zur Luftversorgung des Kathodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 ist der Betrieb der Luftfördereinrichtung 6 notwendig. Wenn dieser über die elektrische Maschine 10 erfolgen soll, dass muss elektrische Leistung für diese elektrische Maschine 10 auch bereits vor dem eigentlichen Start des Brennstoffzellensystems 1, während der Startphase zur Verfügung gestellt werden. Typischerweise arbeitet die elektrische Maschine 10 auf der Spannungsbasis, welche auch von der Brennstoffzelle 3 im regulären Betrieb geliefert wird. Diese Spannung ist eine vergleichsweise hohe Spannung in der Größenordnung von mehr als 64 V, typischerweise mehr als 100 V. Um zum Betrieb der elektrischen Maschine 10 eine solche Spannung bereitzustellen, ist in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen 1 eine Hochvoltbatterie notwendig, welche beispielsweise als Nickel-Kadmium- oder Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet ist. Diese ist entsprechend teuer, schwer und benötigt immer dann, wenn das Brennstoffzellensystem 1 gestartet werden soll, eine ausreichende Ladekapazität zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 6. Dies ist aufwändig und schafft einen unnötig großen und schweren Aufbau des Brennstoffzellensystems 1.When starting the fuel cell system 1 It is now the case that the reactants are in the area of the fuel cell 3 must be provided. For this purpose, hydrogen from the compressed gas storage 7 via a pressure regulating and dosing valve 14 fed. For air supply to the cathode compartment 5 the fuel cell 3 is the operation of the air conveyor 6 necessary. If this over the electric machine 10 It should be done that has electrical power for this electric machine 10 even before the actual start of the fuel cell system 1 , are provided during the launch phase. Typically, the electric machine works 10 on the voltage base, which also from the fuel cell 3 delivered in regular operation. This voltage is a comparatively high voltage of the order of more than 64 V, typically more than 100 V. To operate the electric machine 10 To provide such a voltage is in conventional fuel cell systems 1 a high-voltage battery necessary, which is designed for example as a nickel-cadmium or lithium-ion battery. This is correspondingly expensive, heavy and always needed when the fuel cell system 1 should be started, a sufficient load capacity for driving the air conveyor 6 , This is complex and creates an unnecessarily large and heavy structure of the fuel cell system 1 ,

Um dies zu vermeiden, ist der Druckgasspeicher 7 des hier dargestellten Brennstoffzellensystems 1 so ausgebildet, dass dieser zwei Speicherbereiche 15, 16 aufweist. Die beiden Speicherbereiche 15, 16 sind jeweils über Ventile 17, 18 mit einem Expander 19 verbunden, welcher vorzugsweise in der Art einer Turbine ausgebildet sein kann. Im Bereich zwischen dem Expander 19 und dem Druckregel- und Dosierventil 14 zweigt eine Rückströmleitung 20 von der Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle 3 ab. Diese Rückströmleitung 20 führt zurück in den Druckgasspeicher 7 und verbindet über Ventileinrichtungen 21 und 22 die Rückströmleitung 20 mit den Speicherbereichen 15 und 16. Die zwischen der Rückströmleitung 20 und den Speicherbereichen 15, 16 angeordneten Ventile 21, 22 können dabei vorzugsweise als Druckregelventile ausgebildet sein, während die Ventile 17, 18, welche die Speicherbereiche 15, 16 mit dem Expander 19 verbinden, als Druckregelventile oder vorzugsweise als Magnetventile ausgebildet sein können.To avoid this, the compressed gas storage 7 of the fuel cell system shown here 1 designed so that this two memory areas 15 . 16 having. The two memory areas 15 . 16 are each about valves 17 . 18 with an expander 19 connected, which may be preferably formed in the manner of a turbine. In the area between the expander 19 and the pressure regulating and metering valve 14 branches a return line 20 from the fuel supply of the fuel cell 3 from. This return line 20 leads back to the compressed gas storage 7 and connects via valve devices 21 and 22 the return line 20 with the storage areas 15 and 16 , The between the return line 20 and the storage areas 15 . 16 arranged valves 21 . 22 can be preferably designed as pressure control valves, while the valves 17 . 18 which the memory areas 15 . 16 with the expander 19 connect, can be configured as pressure control valves or preferably as solenoid valves.

Zusätzlich ist um den Expander 19 eine Bypassleitung 23 mit einem Bypassventil 24 vorgesehen. Außerdem ist eine den Expander 19 mit der Luftfördereinrichtung 6 verbindende Antriebsvorrichtung in Form einer Welle 25 zu erkennen, welche eine Kupplung 26 aufweist. Diese Kupplung 26 kann in später noch näher beschriebener Art und Weise beispielsweise als Magnetkupplung oder auch als Überholkupplung beziehungsweise Freilauf ausgebildet sein. Eine weitere vergleichbare Kupplung 27 findet sich außerdem zwischen der elektrischen Maschine 10 und der Luftfördereinrichtung 6.In addition to the expander 19 a bypass line 23 with a bypass valve 24 intended. Besides, one is the expander 19 with the air conveyor 6 connecting drive device in the form of a shaft 25 to recognize which a clutch 26 having. This clutch 26 can be formed in a manner described in more detail later, for example, as a magnetic coupling or as an overrunning clutch or freewheel. Another comparable clutch 27 is also found between the electric machine 10 and the air conveyor 6 ,

Um das Brennstoffzellensystem 1 nun ohne das Erfordernis eine Hochvoltbatterie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 starten zu können, wird der Expander 19 entweder über die Ventileinrichtung 17 oder die Ventileinrichtung 18 entweder mit dem ersten Speicherbereich 15 oder dem zweiten Speicherbereich 16 verbunden, je nachdem, in welchem der Speicherbereiche 15, 16 ein höherer Druck vorliegt. Dies lässt sich beispielsweise über Drucksensoren in den Speicherbereichen 15, 16 erfassen. Der unter dem höheren Druck aus den beiden Speicherbereichen 15, 16 stehende Brennstoff strömt in den Expander 19 und entspannt sich in diesem zumindest teilweise. Dadurch wird der Expander 19 angetrieben. Je nachdem, ob die Kupplung 26 als Freilauf oder Magnetkupplung ausgebildet ist, muss diese entsprechend geschlossen werden, sodass der Expander 19 die Luftfördereinrichtung 6 antreibt. In idealer Weise ist die Kupplung 27 so ausgebildet oder wird geöffnet, dass die elektrische Maschine 10 und gegebenenfalls die Turbine 9 nicht mitgeschleppt werden muss. Dadurch kann der Expander 19 sehr energieeffizient die Luftfördereinrichtung 6 antreiben. Diese stellt dann einen Luftstrom für den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung. Gleichzeitig gelangt ein Teil des Brennstoffs, wobei die Menge sich über das Druckregel- und Dosierventil 14 entsprechend einstellen lässt, in den Bereich des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle, sodass diese starten kann. Der nicht benötigte Brennstoff gelangt über die Rückführleitung 20 zurück in denjenigen der Speicherbereiche 15, 16, welcher den niedrigeren Druck aufweist. Hierfür wird dann, je nachdem welcher der Speicherbereiche 15, 16 dies ist, entweder die Ventileinrichtung 22 oder die Ventileinrichtung 21 geöffnet. Liegt beispielsweise im Bereich des Speicherbereichs 15 der höhere Druck vor, dann werden zum Starten des Brennstoffzellensystems 1 die Ventile 17 und 22 geöffnet, andernfalls die Ventile 18 und 21.To the fuel cell system 1 now without the requirement of a high-voltage battery for driving the air conveyor 6 to be able to start, the expander 19 either via the valve device 17 or the valve device 18 either with the first storage area 15 or the second memory area 16 connected, depending on which of the storage areas 15 . 16 a higher pressure is present. This can be done, for example, via pressure sensors in the storage areas 15 . 16 to capture. The one under the higher pressure from the two storage areas 15 . 16 standing fuel flows into the expander 19 and relaxes in this at least partially. This will be the expander 19 driven. Depending on whether the clutch 26 is designed as a freewheel or magnetic coupling, it must be closed accordingly, so that the expander 19 the air conveyor 6 drives. Ideally, the clutch 27 so trained or opened that the electric machine 10 and optionally the turbine 9 does not have to be carried along. This allows the expander 19 very energy efficient the air conveyor 6 drive. This then provides an air flow for the cathode compartment 5 the fuel cell 3 to disposal. At the same time enters a part of the fuel, the amount of the pressure regulating and metering valve 14 can be adjusted accordingly, in the area of the anode compartment 4 the fuel cell so that it can start. The unneeded fuel passes through the return line 20 back to those of the storage areas 15 . 16 which has the lower pressure. This is then, depending on which of the memory areas 15 . 16 this is either the valve device 22 or the valve device 21 open. Is for example in the area of the memory area 15 the higher pressure before, then to start the fuel cell system 1 the valves 17 and 22 open, otherwise the valves 18 and 21 ,

Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1, nachdem die Brennstoffzelle 3 so weit angelaufen ist, dass diese die elektrische Leistung für die elektrische Maschine 10 zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend bereitstellt, wird die Luftfördereinrichtung 6 durch diese elektrische Maschine 10 angetrieben, wofür beispielsweise die Kupplung 27 geschlossen und die Kupplung 26 geöffnet werden kann. Falls es sich um Freiläufe handelt, ergibt sich dies durch die Richtung der Krafteinleitung automatisch. In regular operation of the fuel cell system 1 after the fuel cell 3 so far started that this is the electrical power for the electric machine 10 for driving the air conveyor 6 provides accordingly, the air conveyor 6 through this electric machine 10 driven, for which, for example, the clutch 27 closed and the clutch 26 can be opened. If it is freewheeling, this is automatically due to the direction of the force application.

In dieser Situation kann dann das Bypassventil 24 geöffnet werden, sodass der über die Kupplung 26 von der Luftfördereinrichtung 6 abgekoppelte Expander 19 nicht mitgedreht werden muss. Bei geschlossenen Ventilen 21 und 22 wird jetzt entweder über das Ventil 17 und/oder das Ventil 18 und die Bypassleitung 24 Brennstoff in den Bereich der Brennstoffzelle 3 strömen. Der Expander 19 kann also während des regulären Betriebs im Stillstand verweilen und wird lediglich für den Start des Brennstoffzellensystems 1 kurzzeitig betrieben. Der Expander 19 kann ohne nennenswerte Qualitätsverluste sehr effizient ausgefegt werden und muss nicht auf die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellensystems 1 hin dimensioniert und konstruiert werden. Er wird damit entsprechend und einfach kostengünstig.In this situation, then the bypass valve 24 be opened so that the over the clutch 26 from the air conveyor 6 decoupled expander 19 does not have to be co-rotated. With closed valves 21 and 22 is now either over the valve 17 and / or the valve 18 and the bypass line 24 Fuel in the area of the fuel cell 3 stream. The expander 19 It can therefore stand still during normal operation and is only used to start the fuel cell system 1 operated briefly. The expander 19 can be swept very efficiently without appreciable quality losses and does not have to extend the life of the entire fuel cell system 1 dimensioned and constructed. He is thus appropriately and simply inexpensive.

Für den Start des Brennstoffzellensystems 1 ist, wie bereits erwähnt, ein Druckunterschied zwischen den beiden Speicherbereichen 15, 16 notwendig, über welchen der Antrieb des Expanders 19 erfolgt. Ein solcher Druckunterschied lässt sich nun in einem Druckgasspeicher 7, wie er in der Darstellung der 1 zu erkennen ist, beispielsweise dadurch erreichen, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 die Entnahme von Brennstoff aus den Speicherbereichen 15, 16 immer so erfolgt, dass eine Druckdifferenz zwischen diesen beiden Speicherbereichen 15, 16 vorliegt. Dadurch wird auch beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 diese Druckdifferenz weiterhin vorliegen und ein Start des Brennstoffzellensystems 1 in der oben genannten Art und Weise ohne Hochvoltbatterie ist möglich.For the start of the fuel cell system 1 is, as already mentioned, a pressure difference between the two memory areas 15 . 16 necessary, over which the drive of the expander 19 he follows. Such a pressure difference can now be in a compressed gas storage 7 as he is in the presentation of 1 can be seen, for example, achieve that during operation of the fuel cell system 1 the removal of fuel from the storage areas 15 . 16 always done so that a pressure difference between these two memory areas 15 . 16 is present. This is also when stopping the fuel cell system 1 this pressure difference continues to exist and a start of the fuel cell system 1 in the above manner without high-voltage battery is possible.

Ergänzend oder alternativ dazu ist es auch möglich, den Druckgasspeicher 7 mit beweglichen Elementen 28, 29 auszubilden, welche in der Darstellung der 2 prinzipmäßig in einer ersten Ausführungsform angedeutet sind. Die beweglichen Elemente 28, 29 sind dabei in der Art von Kolben zwischen den beiden Speicherbereichen 15, 16 ausgebildet. Sie können beispielsweise über einen elektrischen Stellmotor 30 mit einer Spindel 31 und einem Getriebe 32 bewegt werden. Dabei ist eine Bewegung der beweglichen Elemente 28, 29 sowohl gemeinsam als auch unabhängig voneinander möglich. Über eine Bewegung der beweglichen Elemente 28, 29 lässt sich einfach und durch ein geeignetes Getriebe 32 relativ kraftsparend eine Stellbewegung realisieren, welche das Volumen von zumindest einem oder beiden der Speicherbereiche 15, 16 verändert. Beispielsweise wäre es denkbar, das Volumen des einen Speicherbereichs 16 zu erhöhen und dass des anderen Speicherbereichs 15 entsprechend zu erniedrigen. Damit kommt es zu einem Druckunterschied in den beiden Speicherbereichen 15, 16 zueinander, auch wenn dieser vor dem Einsatz beziehungsweise vor der Bewegung der beweglichen Elemente 28, 29 nicht vorgelegen hatte. Die Bewegung kann dabei vergleichsweise energieeffizient erfolgen, beispielsweise mittels einer 12 V-Starterbatterie, welche zur Betätigung von Ventilen und dergleichen zum Start des Brennstoffzellensystems 1 typischerweise ohnehin notwendig ist. Auf diese Art und Weise lässt sich mechanisch ein Druckunterschied zwischen den einzelnen Speicherbereichen 15, 16 schaffen, welcher dann wiederum zum Start des Brennstoffzellensystems und dabei zum Antrieb des Expanders beziehungsweise über den Expander 19 der Luftfördereinrichtung 6 verwendet werden kann.In addition or alternatively, it is also possible, the compressed gas storage 7 with moving elements 28 . 29 form, which in the representation of 2 are indicated in principle in a first embodiment. The moving elements 28 . 29 are in the nature of pistons between the two storage areas 15 . 16 educated. For example, you can use an electric servomotor 30 with a spindle 31 and a gearbox 32 to be moved. There is a movement of the moving elements 28 . 29 both together and independently possible. About a movement of the moving elements 28 . 29 can be easily and by a suitable gear 32 implement a positioning movement that saves the volume of at least one or both of the storage areas relatively effortlessly 15 . 16 changed. For example, it would be conceivable to use the volume of one storage area 16 increase and that of the other memory area 15 to lower accordingly. This results in a pressure difference in the two memory areas 15 . 16 to each other, even if this before use or before the movement of the movable elements 28 . 29 was not available. The movement can take place comparatively energy efficient, for example by means of a 12 V starter battery, which for the actuation of valves and the like to start the fuel cell system 1 typically necessary anyway. In this way can be mechanically a pressure difference between the individual memory areas 15 . 16 which then in turn to start the fuel cell system and thereby to drive the expander or via the expander 19 the air conveyor 6 can be used.

Eine alternative Ausführungsform des Druckgasspeichers 7 ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Der Druckgasspeicher 7 weist wiederum die beiden voneinander getrennten Speicherbereiche 15, 16 auf. Anstelle der als Kolben genutzten beweglichen Elemente 28, 29 finden sich hier Gaskissen 33, 34 als bewegliche Elemente, um die beiden Speicherbereiche 15, 16 in ihrem Volumen zu verändern. Über Gasanschlüsse 35, 36 lassen sich diese Gaskissen 33, 34 beispielsweise mit komprimiertem Stickstoff befüllen und/oder entsprechend entleeren. Auch hierdurch lässt sich ein Druckunterschied in der gewünschten Art und benötigten Größe zwischen den beiden Speicherbereichen 15, 16 schaffen, welcher dann wieder zum Start des Brennstoffzellensystems 1 genutzt werden kann. Für die Befüllung der Gaskissen benötigter Stickstoff kann beispielsweise in einem Stickstofftank bevorratet werden. Sehr energiesparend kann dieser Vorgang auch dann realisiert werden, wenn die beiden Gaskissen 33, 34 während des Betriebs unter Druck gesetzt werden. Um eine Druckdifferenz zwischen den Speicherbereichen 15, 16 zum Starten des Brennstoffzellensystems 1 zu schaffen, kann dann der Druck in einem der Gaskissen 33, 34, beispielsweise im Gaskissen 34 einfach abgelassen werden, um ohne Energieaufwand den benötigten Druckunterschied zwischen den Speicherbereichen 15, 16 zu erzeugen.An alternative embodiment of the compressed gas storage 7 is in the representation of 3 to recognize. The compressed gas storage 7 again shows the two separate memory areas 15 . 16 on. Instead of the movable elements used as pistons 28 . 29 you will find gas bags here 33 . 34 as moving elements to the two storage areas 15 . 16 to change in their volume. About gas connections 35 . 36 let these gas bags 33 . 34 for example, fill with compressed nitrogen and / or empty accordingly. This also allows a pressure difference in the desired type and size required between the two storage areas 15 . 16 which then back to the start of the fuel cell system 1 can be used. For the filling of the gas cushion required nitrogen can be stored, for example, in a nitrogen tank. Very energy efficient, this process can be realized even if the two gas cushion 33 . 34 be pressurized during operation. To a pressure difference between the storage areas 15 . 16 for starting the fuel cell system 1 can then create the pressure in one of the gas bags 33 . 34 , for example in the gas cushion 34 simply be drained to the required pressure difference between the storage areas without energy consumption 15 . 16 to create.

Die beschriebenen Aufbauten lassen sich selbstverständlich auch kombinieren, sodass, wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, ein Aufbau des Druckgasspeichers 7 möglich ist, welcher sowohl die als Kolben ausgebildeten beweglichen Elemente 28, 29 mit dem Stellmotor 30 zum Antrieb als auch die als Gaskissen 33, 34 realisierten beweglichen Elemente aufweist.Of course, the described structures can also be combined so that, as shown in the illustration of 4 can be seen, a structure of the compressed gas storage 7 is possible, which both the movable elements designed as a piston 28 . 29 with the servomotor 30 to the drive as well as the gas bags 33 . 34 realized moving elements.

Neben der hier gewählten Darstellung des Druckgasspeichers 7 mit einem Speicherelement, welches in die beiden Speicherbereiche 15, 16 aufgeteilt ist, wäre es selbstverständlich auch möglich, einen Aufbau mit mehreren Speicherelementen zu verwenden, welche dann jeweils einzeln als Speicherbereich ausgebildet sind, oder so verschaltet sind, dass einige von ihnen gemeinsam einen der beiden Speicherbereiche 15 und/oder 16 ausbilden. In addition to the selected representation of the compressed gas storage 7 with a memory element which is in the two memory areas 15 . 16 is divided, it would of course also possible to use a structure with a plurality of memory elements, which are then each formed individually as a memory area, or are interconnected so that some of them together one of the two memory areas 15 and or 16 form.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102006003799 A1 [0003] DE 102006003799 A1 [0003]
  • DE 10018087 A1 [0004] DE 10018087 A1 [0004]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Luftfördereinrichtung (6) zur Luftversorgung eines Kathodenraums (5) der Brennstoffzelle (3), mit einem Druckgasspeicher (7) für einen Brennstoff zur Brennstoffversorgung eines Anodenraums (4) der Brennstoffzelle (4), mit einem Expander (19) zum Entspannen des Brennstoffs aus dem Druckgasspeicher (7), welcher eine Antriebsverbindung (25) zu der Luftfördereinrichtung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasspeicher (7) wenigstens zwei getrennte Speicherbereiche (15, 16) aufweist, welche auf unterschiedlichen Druckniveaus liegen oder auf solche unterschiedlichen Druckniveaus bringbar sind, wobei der Expander (19) schaltbar jeweils Brennstoff aus dem Speicherbereich (15, 16) mit dem höheren Druckniveau entspannt und zumindest einen Teil des entspannten Brennstoffs in den Speicherbereich (15, 16) mit dem niedrigeren Druckniveau zurückliefert.Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ), with an air conveyor ( 6 ) for supplying air to a cathode compartment ( 5 ) of the fuel cell ( 3 ), with a compressed gas storage ( 7 ) for a fuel for supplying fuel to an anode compartment ( 4 ) of the fuel cell ( 4 ), with an expander ( 19 ) for relaxing the fuel from the compressed gas reservoir ( 7 ), which has a drive connection ( 25 ) to the air conveyor ( 6 ), characterized in that the compressed gas storage ( 7 ) at least two separate memory areas ( 15 . 16 ), which are at different pressure levels or can be brought to such different pressure levels, wherein the expander ( 19 ) each switchable fuel from the storage area ( 15 . 16 ) with the higher pressure level and at least a portion of the expanded fuel in the storage area ( 15 . 16 ) with the lower pressure level. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine schaltbare Bypassleitung (23) um den Expander (19) vorgesehen ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a switchable bypass line ( 23 ) around the expander ( 19 ) is provided. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsverbindung (25) zwischen dem Expander (19) und der Luftfördereinrichtung (6) eine Kupplung (26) oder einen Freilauf aufweist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the drive connection ( 25 ) between the expander ( 19 ) and the air conveyor ( 6 ) a coupling ( 26 ) or a freewheel. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (6) über eine weitere Antriebsverbindung mit einer elektrischen Maschine (10) verbunden ist, wobei die weitere Antriebsverbindung eine Kupplung (27) oder einen Freilauf aufweist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the air conveying device ( 6 ) via a further drive connection with an electrical machine ( 10 ), wherein the further drive connection is a coupling ( 27 ) or a freewheel. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Speicherbereiche (15, 16) über bewegte Elemente (28, 29, 33, 34) jeweils in seinem Speichervolumen beeinflussbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the memory areas ( 15 . 16 ) about moving elements ( 28 . 29 . 33 . 34 ) can be influenced in each case in its storage volume. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Elemente Gaskissen (33, 34) aufweisen.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the movable elements gas cushion ( 33 . 34 ) exhibit. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Elemente wenigstens einen Kolben (28, 29) aufweisen.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the movable elements comprise at least one piston ( 28 . 29 ) exhibit. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, die beweglichen Elemente (28, 29, 33, 34) durch eine Druckänderung in einem Betätigungsmedium, durch einen mechanischen und/oder durch einen elektrischen Antrieb (30) zumindest mittelbar bewegbar sind.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 5, 6 or 7, characterized in that the movable elements ( 28 . 29 . 33 . 34 ) by a pressure change in an actuating medium, by a mechanical and / or by an electric drive ( 30 ) are at least indirectly movable. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr zu dem Anodenraum (4) aus den wenigstens zwei Speicherbereichen (15, 16) so erfolgt, dass immer unterschiedliche Druckniveaus in den wenigstens zwei Speicherbereichen (15, 16) vorliegen.Method for operating a fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the fuel supply to the anode space ( 4 ) from the at least two storage areas ( 15 . 16 ) takes place so that always different pressure levels in the at least two memory areas ( 15 . 16 ) are present. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass falls kein Unterschied im Druckniveau zwischen den wenigstens zwei Speicherbereichen (15, 16) vorliegt, ein solcher durch ein Bewegen der beweglichen Elemente (28, 29, 33, 34) verursacht wird, wonach die Luftfördereinrichtung (6) durch den Expander (19) angetrieben wird, bis die Brennstoffzelle (3) ausreichend viel elektrische Leistung erzeugt, sodass mit dieser elektrischen Leistung auch die Luftfördereinrichtung (6) elektromotorisch angetrieben werden kann.Method for starting a fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 5 to 8, characterized in that, if no difference in the pressure level between the at least two storage areas ( 15 . 16 ), such by moving the movable elements ( 28 . 29 . 33 . 34 ) is caused, after which the air conveyor ( 6 ) through the expander ( 19 ) is driven until the fuel cell ( 3 ) generates a sufficient amount of electrical power, so that with this electrical power and the air conveyor ( 6 ) can be driven by an electric motor.
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