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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, welche mit Brennstoffzellenstapeln in PEM-Brennstoffzellentechnologie ausgeführt sind. Derartige Brennstoffzellensysteme werden sehr häufig zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt. Da PE-Membranen, welche im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Polymerelektrolyt-Membranen oder Protonenaustauschmembranen bezeichnet werden, sehr anfällig gegenüber einem Austrocknen sind, sind bei derartigen Brennstoffzellensystemen Befeuchter für den vergleichsweise großen Volumenstrom der Zuluft, welche dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt wird, allgemein bekannt und üblich. Allerdings sind sie entsprechend aufwändig, groß und teuer und verursachen einen zusätzlichen Bedarf an Volumen, Bauraum und Gewicht in den Brennstoffzellensystemen. Es wäre daher wünschenswert, auf derartige Befeuchter verzichten zu können.
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Aus der
DE 102 56 281 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit PEM-Brennstoffzellen bekannt, welche zur Verbesserung des Feuchtigkeitsgehalts der Reaktionsgase die Aufteilung in mehrere Brennstoffzellenstapel vorschlägt. Die Brennstoffzellenstapel werden dabei so durchströmt, dass zuerst ein vergleichsweise kalter Brennstoffzellenstapel und anschließend ein wärmerer Brennstoffzellenstapel durchströmt wird. Hierdurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Feuchtigkeitshaushalts. Allerdings muss die Temperaturverteilung vergleichsweise aufwändig eingestellt werden, da die verdichtete Zuluft beispielsweise vergleichsweise heiß ist und so zuerst abgekühlt werden muss, bevor sie in den ersten Brennstoffzellenstapel mit der niedrigeren Betriebstemperatur einströmt. Danach muss sie wieder erwärmt werden. Dies macht die Steuerung entsprechend komplex und aufwändig. Dementsprechend ist eine vergleichsweise aufwändige Regulierung der Wärmemengen im Rahmen eines Wärmemanagements und einer gezielten Kühlung, Erwärmung und Zwischenkühlung von Edukten und Produkten der einzelnen Brennstoffzellensysteme notwendig.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches auf einen Befeuchter verzichten kann, und welches gleichzeitig einfach und effizient aufgebaut ist und eine einfache Betriebsführung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ferner löst ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass eine von der Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels durchströmte Expansionseinrichtung zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Durch diese Expansionseinrichtung, welche insbesondere als Expansionsmaschine oder Turbine zur Rückgewinnung von mechanischer Leistung aufgebaut sein kann, wird die Möglichkeit eröffnet den ersten Brennstoffzellenstapel bei einem höheren Betriebsdruck zu betreiben als den zweiten Brennstoffzellenstapel. Beide Stapel bzw. Stacks können so ohne eine zusätzliche Befeuchtung auskommen. Beim ersten Brennstoffzellenstapel erfolgt eine ausreichende Befeuchtung durch das Produktwasser selbst. Dies kann durch eine besonders günstige und vorteilhafte Weiterbildung des ersten Brennstoffzellenstapels unterstützt werden, in welcher besonders dünne Brennstoffzellenmembranen, insbesondere Membranen mit einer Dicke von weniger als 30 μm, eingesetzt werden. Dies begünstigt die Befeuchtung, da die Wasserrückdiffusion von der Kathodenseite zur Anodenseite durch die Membranen hindurch steigt. Der erste Brennstoffzellenstapel kann außerdem vorzugsweise bei einem hohen Temperaturniveau betrieben werden, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 80°C, vorzugsweise 90°C jeweils bezogen auf die Kühlmittelaustritttemperatur aus einem Stack. Hierdurch ergibt sich ein besonders hoher Temperaturgradient, welcher die Abfuhr der Abwärme begünstigt und beispielsweise beim bevorzugten Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug die erforderliche Kühlerfläche in dem Fahrzeug verringert. Der Brennstoff kann dem ersten Brennstoffzellenstapel mit einem vergleichsweise hohen Überschuss zugeführt werden, sodass die aktive Fläche ideal ausgenutzt wird, ohne dass hierfür eine Rezirkulationseinrichtung notwendig wäre.
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Dem zweiten Brennstoffzellenstapel werden dann die Abgase aus dem ersten Brennstoffzellenstapel bei niedrigeren Drücken zugeführt. Der zweite Brennstoffzellenstapel wird bei gleicher oder geringerer Betriebstemperatur als der erste Brennstoffzellenstapel und einem deutlich geringeren Druck betrieben. Er wird mit den bereits befeuchteten Abgasen des ersten Brennstoffzellenstapels beaufschlagt, sodass auch hier auf eine zusätzliche Befeuchtung verzichtet werden kann. Ingesamt entsteht so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher ohne Befeuchter auskommt und welcher das in der Zuluft nach dem Verdichten ohnehin vorhandene Temperaturniveau ideal ausnützt, indem der erste Brennstoffzellenstapel idealerweise auf einem höheren Temperaturniveau als der zweite Brennstoffzellenstapel betrieben wird.
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Der erste Brennstoffzellenstapel kann gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems flüssigkeitsgekühlt ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine sehr gute Abfuhr der Wärme, insbesondere bei einer eher hohen Temperatur des Brennstoffzellenstapels und einem daraus resultierenden hohen Temperaturgradienten zwischen der Umgebungstemperatur im Bereich eines Kühlers und der Abwärme des ersten Brennstoffzellenstapels. Der zweite Brennstoffzellenstapel kann ebenfalls flüssigkeitsgekühlt ausgebildet sein. In einer besonders günstigen Weiterbildung ist dieser jedoch luftgekühlt ausgebildet. Hierdurch wird der Aufwand für die Kühlung deutlich reduziert, sodass insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug der Fahrzeugkühler noch kleiner gebaut werden kann, als wenn beide Brennstoffzellenstapel flüssigkeitsgekühlt realisiert wären.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass der zweite Brennstoffzellenstapel eine kleinere aktive Fläche als der erste Brennstoffzellenstapel aufweist. Dieser Aufbau, welcher aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt ist, kann auch als Kaskadierung der Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden. Die aktive Fläche des in Strömungsrichtung ersten Brennstoffzellenstapels ist dabei deutlich größer als die des zweiten Brennstoffzellenstapels. Hierdurch passt die aktive Fläche des zweiten Brennstoffzellenstapels zu der verringerten Menge an Brennstoff bzw. Sauerstoff, welche in den Edukten, nachdem diese den ersten Brennstoffzellenstapel durchströmt haben, noch vorliegt. Durch diesen kaskadierten Aufbau lässt sich der Wasserstoff bei guter Ausnutzung der aktiven Fläche annähernd vollständig aufbrauchen, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sehr gering sind.
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Ergänzend oder alternativ dazu ist es gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auch möglich, dass der zweite Brennstoffzellenstapel eine Anoden- und/oder Kathodenrezirkulation aufweist. Beim ersten Brennstoffzellenstapel wäre eine solche Rezirkulation nicht zielführend. Beim zweiten, typischerweise kleiner ausgebildeten Brennstoffzellenstapel, kann eine Anodenrezirkulation jedoch genutzt werden, um die Reste an Wasserstoff in den Abgasen auf ein absolutes Minimum zu reduzieren und so den Ausnutzungsgrad des Wasserstoffs zu steigern. Somit ermöglicht eine Rezirkulation, insbesondere auf der Anodenseite, eine weitere Verringerung der Emissionen. Auf der Kathodenseite kann durch eine Rezirkulation die Befeuchtung entsprechend verbessert werden. Wichtiger erscheint bei dem beschriebenen Aufbau jedoch die Anodenrezirkulation, auf eine Kathodenrezirkulation und den damit einhergehenden Energiebedarf kann leicht verzichtet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems ist es nun vorgesehen, dass der erste Brennstoffzellenstapel auf einem höheren Betriebsdruck und auf einer höheren oder derselben Temperatur betrieben wird, als der zweite Brennstoffzellenstapel. Wie bereits angedeutet, kann durch eine geeignete Wahl der Temperaturen und insbesondere des Drucks, sodass ein deutliches Druckgefälle zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel aufgrund der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung auftritt, eine deutliche Verbesserung im Betrieb ohne Befeuchter erzielt werden. Dementsprechend lassen sich die Betriebsdrücke idealerweise und gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens so wählen, dass der erste Brennstoffzellenstapel mit einem Betriebsdruck von mehr als 2 bara, vorzugsweise mehr als 3 bara, und der zweite Brennstoffzellenstapel mit einem Betriebsdruck von weniger als 2 bara betrieben wird.
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Unter der Angabe bara ist dabei jeweils der absolute Druck zu verstehen. Bei einem derartigen Druckgefälle lässt sich ein idealer Betrieb des Brennstoffzellensystems ohne Befeuchter realisieren. Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass der erste Brennstoffzellenstapel mit einer höheren Stromdichte als der zweite Brennstoffzellenstapel betrieben wird. Der erste Brennstoffzellenstapel kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung mit mehr als 2 A/cm2 und der zweite Brennstoffzellenstapel mit weniger als 1 A/cm2 betrieben werden. Hierdurch lässt sich ein hinsichtlich der Befeuchtung und der Leistung und der Temperaturen optimierter Betrieb, insbesondere beim Einsatz von kaskadierten Brennstoffzellenstapeln, nochmals weiter verbessern.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug; und
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2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen, in welchem ein Brennstoffzellensystem 2 zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst dabei einen ersten Brennstoffzellenstapel 3 sowie einen zweites Brennstoffzellenstapel 4. Jeder der Brennstoffzellenstapel 3, 4 weist einen Anodenraum 5 und einen Kathodenraum 6 auf, welche durch protonenleitende Membranen 7 voneinander getrennt ausgebildet sind. Der Anodenraum 5 und der Kathodenraum 6 sind stellvertretend für eine Mehrzahl von Einzelzellen im Brennstoffzellenstapel dargestellt. Dem ersten Brennstoffzellenstapel 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 8 auf seiner Kathodenseite Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft aus dem ersten Brennstoffzellenstapel 3 gelangt über einen Kondensatabscheider 9 und eine Expansionseinrichtung 10 als Zuluft zu dem Kathodenraum 6 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4. Die Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 gelangt beispielsweise in die Umgebung. Dem Anodenraum 5 des ersten Brennstoffzellenstapels 3 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas, beispielsweise aus einem angedeuteten Druckgasspeicher 11, zugeführt. Nicht verbrauchter Restwasserstoff gelangt über einen mit 12 bezeichneten Kondensatabscheider zu dem Anodenraum 5 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4, in welchem der hierin enthaltene Restwasserstoff umgesetzt wird. Der zweite Brennstoffzellenstapel 4 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine sogenannte Anodenrezirkulation 13 auf. Diese besteht aus einer Rezirkulationsleitung 14 sowie einer Rezirkulationsgasfördereinrichtung 15, welche in dem hier dargestellten Beispiel als Gebläse ausgebildet ist. Sie kann auch als Gasstrahlpumpe oder Kombination hiervon ausgebildet sein. Der über die Rezirkulationsleitung 14 und die Rezirkulationsgasfördereinrichtung 15 aus dem Anodenraum 5 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 gelangende Restwasserstoff wird zusammen mit dem aus dem Anodenraum 5 des ersten Brennstoffzellenstapels 3 kommenden Wasserstoff dem Anodenraum 5 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 erneut zugeführt. In dieser sogenannten Anodenrezirkulation 13 reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas, welches im Brennstoff als Verunreinigung vorhanden sein kann, und/oder welches durch die Membranen 7 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 von dessen Kathodenraum 6 in dessen Anodenraum 5 diffundiert ist, an. Hierdurch sinkt die Konzentration an Wasserstoff in der Anodenrezirkulation 13, da das Volumen der Rezirkulationsleitung 14 selbstverständlich identisch bleibt. Deshalb ist es notwendig, von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich, Abgas aus der Rezirkulationsleitung 14 abzulassen. Hierfür dient eine Ablassleitung 16 mit einem Ablassventil 17. Dieses Abgas kann beispielsweise an die Umgebung abgegeben werden oder in die Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 4. Es ist auch denkbar, das Abgas in die Zuluft entweder des ersten Brennstoffzellenstapels 3 oder des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 abzugeben. Insbesondere beim Ablassen in die Zuluft wird der Restwasserstoff an den Elektrokatalysatoren der Brennstoffzelle 3, 4 katalytisch zu Wasser umgesetzt, wodurch Emissionen vermieden werden. All dies ist bei Anodenrezirkulationen 13 aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
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Nun ist es so, dass in dem vorgeschlagenen Brennstoffzellensystem 2 der erste Brennstoffzellenstapel 3 auf einem höheren Betriebsdruck betrieben wird, als der zweite Brennstoffzellenstapel 4. Nachfolgend wird der erste Brennstoffzellenstapel 3 deshalb als Hochdruckstack 3 und der zweite Brennstoffzellenstapel 4 als Niederdruckstack 4 bezeichnet. Vorzugsweise wird dabei für den Hochdruckstack 3 ein Druck von mehr als 2 bara verwendet, insbesondere ein Duck von mehr als 3 bara. Für den Niederdruckstack 4 wird ein Betriebsdruck von weniger als 2 bara verwendet. Die Anordnung der beiden Stacks 3, 4 in Strömungsrichtung nacheinander soll dabei vorzugsweise als kaskadierte Anordnung vorgenommen werden, sodass die aktive Fläche des Niederdruckstacks 4 an die verbleibende Restmenge an Wasserstoff in dem Abgas aus dem Hochdruckstack 3 so angepasst ist, dass die insgesamt in das Brennstoffzellensystem 2 eingebrachte Wasserstoffmenge annähend vollständig aufgebraucht wird.
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Der entscheidende Vorteil des Aufbaus liegt darin, dass beide Stacks 3, 4 ohne zusätzliche Befeuchtung betrieben werden können. Beim Hochdruckstack 3 erfolgt eine ausreichende Befeuchtung durch das Produktwasser selbst. Dies kann zusätzlich dadurch begünstigt werden, dass die Membranen 7 des Hochdruckstacks 3 besonders dünn ausgeführt sind. Membranen mit einer maximalen Dicke von weniger als 30 μm sind daher für den Hochdruckstack 3 zu bevorzugen. Der Hochdruckstack 3 kann außerdem auf einer besonders hohen Betriebstemperatur von mehr als 80°C, vorzugsweise mehr als 90°C, betrieben werden. Durch die höheren Auslasstemperaturen des Kühlmediums lässt sich dadurch eine sehr effiziente Kühlung des flüssigkeitsgekühlten Hochdruckstacks 3 realisieren. Da insbesondere bei Fahrzeuganwendungen die zur Verfügung stehende Kühlerfläche begrenzt ist, spielt eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung und dem Hochdruckstack 3 für die Effizienz der Kühlung eine entscheidende Rolle. Da typischerweise die Umgebungstemperatur nicht angepasst werden kann, ist eine möglichst hohe Betriebstemperatur des Hochdruckstacks 3 daher in jedem Fall von Vorteil und ermöglicht eine Minimierung der benötigten Kühlerfläche in dem Fahrzeug 1. Der Brennstoff, also der Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11, kann dem Hochdruckstack 3 in einer vergleichsweise großen Menge, das heißt mit großem Überschuss zugeführt werden. Eine Rezirkulationseinrichtung für die Anodenseite des Hochdruckstacks 3 ist somit nicht notwendig und kann eingespart werden, was hinsichtlich der benötigten Komponenten des benötigten Bauraums, des benötigten Gewichts, des Energiebedarfs und der verursachten Kosten von Vorteil ist. Der Hochdruckstack 4 kann dabei mit einer besonders hohen Stromdichte von vorzugsweise mehr als 2 A/cm2 betrieben werden. Die Luftzufuhr zu dem Hochdruckstack 3 erfolgt über die bereits angesprochene Luftfördereinrichtung 8, welche vorzugsweise als elektrisch angetriebener Turbokompressor oder elektrisch angetriebener Schraubenkompressor ausgebildet sein kann. Zur Vereinfachung der Darstellung ist auf den Elektromotor im Bereich der Luftfördereinrichtung 8 in den Darstellungen der Figuren jedoch verzichtet worden.
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Die Abluft des Hochdruckstacks 3 gelangt dann, wie bereits erwähnt, über eine Expansionseinrichtung, welche vorzugsweise eine direkt mechanisch mit der Luftfördereinrichtung 8 gekoppelte Turbine 10 sein kann, zu dem Niederdruckstack 4. Im Bereich der Expansionseinrichtung bzw. der Turbine 10 wird die Abluft dabei auf ein deutlich niedrigeres Druckniveau entspannt. Die gewonnene mechanische Energie kann unmittelbar zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 8 mitgenutzt werden. Insbesondere kann der Aufbau aus Luftfördereinrichtung 8 und Turbine 10 zusammen mit der nicht dargestellten elektrischen Maschine als sogenannter elektrischer Turbolader ausgebildet sein. Bei diesem Aufbau sitzen Turbine 10 und Luftfördereinrichtung 8, welche vorzugsweise beide als Strömungsmaschinen ausgebildet sind, auf einer gemeinsamen Welle, auf welcher zusätzlich eine elektrische Maschine angeordnet ist. Die elektrische Maschine kann die Luftfördereinrichtung 8 alleine antreiben. Liegt im Bereich der Turbine 10 zusätzliche Energie vor, so kann diese zum unterstützenden Antrieb der Luftfördereinrichtung 8 eingesetzt werden und die elektrische Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine sinkt. Kommt es in Sonderfällen dazu, dass im Bereich der Turbine 10 mehr Energie vorliegt, als zum Betrieb der Luftfördereinrichtung 8 benötigt wird, so kann die elektrische Maschine auch generatorisch betrieben werden, um die mechanische Energie im Bereich der Turbine 10 als elektrische Energie zurückzugewinnen.
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Der Niederdruckstack 4 wird nun, wie bereits erwähnt, mit den Abgasen des Hochdruckstacks 3 bei entsprechend niedrigeren Drücken betrieben. Optional können auf der Kathodenseite und/oder der Anodenseite zusätzliche Zufuhrmöglichkeiten für frische Edukte, also frische Luft und frischen Wasserstoff, installiert sein. Diese sind in der Darstellung der 2, welche ansonsten im Wesentlichen der Darstellung in 1 entspricht, angedeutet. Sie bestehen aus Bypassleitungen 18 mit einem Bypassventil 19 auf der Kathodenseite und einer Bypassleitung 20 mit einem Bypassventil 21 auf der Anodenseite. Sie sind beide optional zu verstehen und können entweder gemeinsam oder jeweils nur einzeln vorhanden sein. Der Niederdruckstack 4 kann außerdem mit der bereits erläuterten Anodenrezirkulation 13 ausgestattet sein. Auch diese ist lediglich optional zu verstehen und könnte auch weggelassen werden. Ergänzend oder alternativ zur Anodenrezirkulation 13 wäre es auch denkbar, eine Kathodenrezirkulation, welche hier nicht dargestellt ist, im Bereich des Niederdruckstacks 4 vorzusehen. Da eine solche Kathodenrezirkulation weniger wichtig als die Anodenrezirkulation 13 ist, wurde sie in der Darstellung der Figuren nicht berücksichtigt. Sie ist jedoch aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass der Fachmann sie einfach als zusätzliche Rezirkulationseinrichtung oder als Alternative zur Anodenrezirkulation 13 ergänzen kann.
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Ein weiterer Unterschied der Darstellung in 2 gegenüber der Darstellung des Brennstoffzellensystems 2 in 1 besteht in einem Drosselventil 22, welches in Strömungsrichtung des Restwasserstoffs zwischen dem Hochdruckstack 3 und dem Niederdruckstack 4 angeordnet ist. Bei Bedarf kann hierdurch der Druck nicht nur über die Expansionseinrichtung 10 auf der Kathodenseite, sondern auch auf der Anodenseite entsprechend reduziert werden, um die beiden Stacks 3, 4 auf den beschriebenen Druckniveaus betreiben zu können.
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Der Niederdruckstack 4 wird nun mit einer geringeren Stromdichte als der Hochdruckstack 3 betrieben. Die Stromdichte kann insbesondere weniger als 1 A/cm2 betragen. Die Betriebstemperatur des Niederdruckstacks 4 ist idealerweise geringer als die des Hochdruckstacks 3 oder allenfalls gleich. Der Niederdruckstack 4 wird nun mit den befeuchteten Abgasen des Hochdruckstacks 3 versorgt, sodass ein Zusatzbefeuchter unnötig ist. Der Niederdruckstack 4 kann dabei mit Luft oder mit Flüssigkeit gekühlt sein. Bei einer Flüssigkeitskühlung, analog zu der des Hochdruckstacks 3, kann das Kühlmittel zuerst den Niederdruckstack 4 durchfließen. Das dann schon vorgewärmte Kühlmittel kann dann zur Kühlung des Hochdruckstacks 3 verwendet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Hochdruckstack 3 auf einem höheren Temperaturniveau als der Niederdruckstack 4 betrieben wird. Die Alternative eines luftgekühlten Niederdruckstacks 4 ist auch möglich und hat den entscheidenden Vorteil, dass dessen Abwärme nicht den Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrzeugs 1 belastet. Somit kann der Fahrzeugkühler noch kleiner realisiert werden, als bei einer Flüssigkeitskühlung der beiden Stacks 3, 4.
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Über die in 2 dargestellten Bypassleitungen 18, 20 sowie die darin angeordneten Bypassventile 19, 21 ist es möglich, dass der Niederdruckstack 4 mit zusätzlicher frischer Luft und/oder zusätzlichem frischem Brennstoff versorgt wird. Auf der Luftseite hat die Bypassleitung 18 mit dem Bypassventil 19 dabei gleichzeitig den Vorteil, dass bei der Verwendung eines elektrischen Turboladers als Turbine 10 und Luftfördereinrichtung 8 eine Regelung bzw. Steuerung desselben über das Bypassventil 19 möglich wird, sodass dieser nicht in kritischen Bereichen hinsichtlich Druck, Verdichtung und Fördervolumen betrieben werden muss.
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Der Hochdruckstack 3 und der Niederdruckstack 4, welche typischerweise mit unterschiedlicher Stromdichte und damit unterschiedlicher Stromstärke betrieben werden, sind idealerweise elektrisch parallel geschaltet, da sich die Stromstärken durch beide Stacks 3, 4 unterscheiden können. Der Nierdruckstack 4 kann vorzugsweise spannungsgeregelt mit einstellbarer konstanter Spannung betrieben werden, um eine Überbelastung dieses Stacks 4 bei zu hohen Stromstärken zu vermeiden. Je nach Brennstoffmenge, die in den Niederdruckstack 4 strömt, stellt sich dann die maximale Stromstärke automatisch ein. Vorzugsweise wird die Spannung des Niederdruckstacks 4 so eingestellt, dass der Brennstoff in diesem Stack ausreichend abgereichert wird (hoher Brennstoffumsetzungsgrad > 90%), was sich durch eine niedrige Brennstoffmenge oder Brennstoffkonzentration am Anodenauslass des Niederdruckstacks 4 nachweisen lässt. Zwischen dem Hochdruckstack 3 und der Niederdruckstack 4 können Mittel zur Vermeidung von Ausgleichsströmen zwischen den beiden Stacks 3, 4 vorgesehen sein. Als Mittel zur Vermeidung von Ausgleichsströmen zwischen den beiden Stacks 3, 4 können elektrische Einrichtungen wie Dioden, Feldeffekttransistoren, und/oder DC/DC-Wandler eingesetzt werden.
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Die Druckverluste auf der Anoden- und Kathodenseite der Stacks 3, 4 sowie des Expanders 10 und der dazwischen befindlichen Leitungen sind dabei idealerweise so ausgelegt, dass die Druckdifferenz über den Membranen 7 der beiden Stacks 3, 4 möglichst gering ist, und dass insbesondere der Niederdruckstack 4 in einem optimalen Druckbereich für einen guten Wasserhaushalt und damit eine ideale Befeuchtung betrieben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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