DE102022121606A1 - Fuel cell operating device and fuel cell operating method - Google Patents

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Rainer Winzer
Sebastian Schaller
Thomas Feldt
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren zum Starten des Betriebs einer Brennstoffzelle. Offenbart wird eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, die aufweist: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Sauerstoffeingang und einem Sauerstoffausgang, eine Hilfsdruckluftquelle, die eingerichtet ist, Hilfsdruckluft zu speichern, und einen Kompressor mit: einem Elektromotor, einer Kompressorstufe, und einer Turbinenstufe, wobei die Kompressorstufe eingerichtet ist, über den Elektromotor oder die Turbinenstufe angetrieben zu werden, wobei die Hilfsdruckluftquelle eingerichtet ist, die Kompressorstufe über die Hilfsdruckluft anzutreiben, sodass die Kompressorstufe Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zugeführt wird, oder die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel (201) mit Sauerstoff zu versorgen.The invention relates to a fuel cell operating device and a fuel cell operating method and in particular relates to such a device and such a method for starting the operation of a fuel cell. Disclosed is a fuel cell operating device comprising: a fuel cell stack with an oxygen input and an oxygen output, an auxiliary compressed air source configured to store auxiliary compressed air, and a compressor comprising: an electric motor, a compressor stage, and a turbine stage, wherein the compressor stage is configured the electric motor or the turbine stage to be driven, wherein the auxiliary compressed air source is set up to drive the compressor stage via the auxiliary compressed air, so that the compressor stage generates compressed air which is supplied to the fuel cell stack via the oxygen inlet, or the auxiliary compressed air to supply the fuel cell stack (201) with oxygen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren zum Starten des Betriebs einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell operating device and a fuel cell operating method and in particular relates to such a device and such a method for starting the operation of a fuel cell.

Zur Gewinnung elektrischer Energie sind Brennstoffzellen bekannt. Hierbei wird einem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) zugeführt und durch eine semipermeable, für Protonen durchlässige Elektrolytmembran getrennt. Für eine Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser, wird von den Wasserstoffatomen das Elektron abgeschieden, sodass das verbleibende Proton die Elektrolytmembran durchdringen und sich mit dem Sauerstoff zu Wasser verbinden kann. Über zwei Elektroden auf der jeweiligen Seite der Elektrolytmembran wird das abgeschiedene Elektron dem Sauerstoff und damit dem Wassermolekül zugeführt. Dieser Stromfluss liefert die gewünschte elektrische Spannung. Hierbei wird dem Brennstoffzellenstapel üblicherweise Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeicher und Umgebungsluft als Sauerstofflieferant zugeführt. Um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu steigern, wird die Umgebungsluft dem Brennstoffzellenstapel unter durch einen Kompressor erzeugten Überdruck zugeführt. Da dieser Kompressor mit der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie betrieben wird, gibt es beim Starten des Systems den Nachteil, dass noch keine Druckluft vorhanden ist, die für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist. Im Stand der Technik wurde das Problem wie anhand von 1 beschrieben gelöst.Fuel cells are known for generating electrical energy. Here, hydrogen (H2) and oxygen (02) are supplied to a fuel cell stack and separated by a semi-permeable electrolyte membrane that is permeable to protons. For oxygen and hydrogen to combine to form water, the electron is separated from the hydrogen atoms so that the remaining proton can penetrate the electrolyte membrane and combine with the oxygen to form water. The deposited electron is fed to the oxygen and thus to the water molecule via two electrodes on each side of the electrolyte membrane. This current flow delivers the desired electrical voltage. Here, the fuel cell stack is usually supplied with hydrogen from a hydrogen storage and ambient air as an oxygen supplier. In order to increase the performance of the fuel cell, the ambient air is supplied to the fuel cell stack under excess pressure generated by a compressor. Since this compressor is operated with the electrical energy generated by the fuel cell, there is the disadvantage when starting the system that there is no compressed air required to operate the fuel cell stack. In the prior art, the problem was solved as follows 1 solved as described.

1 offenbart eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 1 aus dem Stand der Technik. 1 discloses a fuel cell operating device 1 from the prior art.

Ein Brennstoffzellenstapel 101 weist einen Wasserstoffeingang 103, einen Sauerstoffeingang 105 und einen Kühlmitteleingang 107 auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel einen Wasserstoffausgang 109, einen Sauerstoffausgang 111 und einen Kühlmittelausgang 113 auf. Über den Wasserstoffeingang 103 ist der Brennstoffzellenstapel 101 mit einem Wasserstoffreservoir 115 üblicherweise in Form eines Hochdruck-Wasserstofftanks oder eines Metallhydridspeichers verbunden. Aus diesem wird der Brennstoffzellenstapel 101 mit Wasserstoff versorgt. Überschüssiger, bei der Reaktion nicht benötigter Wasserstoff kann über den Wasserstoffausgang 109 rezirkuliert und dem Brennstoffzellenstapel 101 über den Wasserstoffeingang 103 erneut zugeführt werden. Über den Sauerstoffeingang 105 wird der Brennstoffzellenstapel 101 mit Sauerstoff versorgt, üblicherweise in Form von sauerstoffhaltiger Umgebungsluft. Über den Sauerstoffausgang 111 verlässt die Restluft, d.h. nicht verbrauchter Sauerstoff und Nicht-Sauersoff-Bestandteile der Umgebungsluft die Brennstoffzelle. Über den Kühlmitteleingang 107 und den Kühlmittelausgang 113 ist der Brennstoffzellenstapel 101 an einen Kühlkreis 117 angeschlossen. Während der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, um die wärmeempfindliche Elektrolytmembran nicht zu beschädigen. Bei dem Kühlkreis 117 kann es sich um einen herkömmlichen Kühlkreis handeln, der die abzuführende Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgibt. Optional kann es sich jedoch auch um einen Kältezyklus einer Kältemaschine, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine handeln. Ein Kompressor 119 weist einen Elektromotor 121 mit einer angetriebenen Achse 123 auf. Über die Achse 123 wird eine Kompressorstufe 125 als Radialverdichter angetrieben. Über einen Luftfilter 127 und einen Kompressoreingang 129 wird der Kompressorstufe 125 gereinigte Umgebungsluft zugeführt, in der Kompressorstufe 125 verdichtet und über einen Kompressorausgang 131 als Druckluft abgegeben. Der Kompressor 119 weist ferner eine Turbinenstufe 133 auf, die mit der Achse 123 derart verbunden ist, dass die Achse 123 über die Turbinenstufe 133 antreibbar ist. Die Turbinenstufe 133 weist einen Turbineneingang 135 auf, über die aus dem Brennstoffzellenstapel 101 stammende Restluft in die Turbine eingeführt und über einen Turbinenausgang 137 an die Umgebungsluft entlüftet wird. Da die Restluft aus der Brennstoffzelle 101 noch erheblichen Überdruck aufweist, ist es möglich, damit den Elektromotor 121 des Kompressors 119 zu unterstützen und das System mit hoher Effizienz zu betreiben. Über einen Kompressorkühlmitteleingang 139 und einen Kompressorkühlmittelausgang 141 ist der Kompressor 119 zur Wärmeabfuhr an den Kühlkreis 117 oder einen separaten Kühlkreis angeschlossen. Stromabwärtig des Kompressorausgangs 131 befindet sich ein Druckluftwärmetauscher 143, durch den die sich während des Verdichtungsvorgangs erhitzte Druckluft geführt wird und dadurch abgekühlt wird. Stromabwärtig des Druckluftwärmetauschers 143 befindet sich ein Druckluftbefeuchter 145, dem die Druckluft nach dem Druckluftwärmetauscher 143 zugeführt wird und durch den eine für den Brennstoffzellenstapel 101 geeignete Luftfeuchtigkeit der Druckluft sichergestellt wird. Stromabwärtig des Druckluftbefeuchters 145 wird die Druckluft über den Sauerstoffeingang dem Brennstoffzellenstapel 101 zugeführt. Der Sauerstoffanteil der Druckluft reagiert in dem Brennstoffzellenstapel 101 mit dem dem Brennstoffzellenstapel 101 zugeführten Wasserstoff. Die immer noch unter Überdruck stehende Restluft verlässt unter Abtrennung des entstandenen Wassers über den Sauerstoffausgang 111 den Brennstoffzellenstapel 101 und wird über den Turbineneingang 135 der Turbinenstufe 133 zugeführt, wodurch über die Turbinenstufe 133 die angetriebene Achse 123 angetrieben wird. Die von dem Brennstoffzellenstapel 101 erzeugte elektrische Energie wird über einen DC/DC-Wandler 147 einer Speicherbatterie 149 oder möglichen Verbrauchern zugeführt. Ferner wird die von dem Brennstoffzellenstapel 101 erzeugte elektrische Energie einem Inverter 151 zugeführt, der den Elektromotor 121 des Kompressors 119 antreibt. Der Inverter 151 ist über einen Inverterkühlmitteleingang 153 und einen Inverterkühlmittelausgang 155 an den Kühlkreis 117 angeschlossen. Über einen Umschalter 157 kann die elektrische Antriebsenergie für den Elektromotor 121 wahlweise über den Brennstoffzellenstapel 101 oder über die Speicherbatterie 149 bezogen werden.A fuel cell stack 101 has a hydrogen inlet 103, an oxygen inlet 105 and a coolant inlet 107. Furthermore, the fuel cell stack has a hydrogen output 109, an oxygen output 111 and a coolant output 113. The fuel cell stack 101 is connected via the hydrogen inlet 103 to a hydrogen reservoir 115, usually in the form of a high-pressure hydrogen tank or a metal hydride storage. From this, the fuel cell stack 101 is supplied with hydrogen. Excess hydrogen that is not required in the reaction can be recirculated via the hydrogen outlet 109 and fed again to the fuel cell stack 101 via the hydrogen inlet 103. The fuel cell stack 101 is supplied with oxygen via the oxygen inlet 105, usually in the form of oxygen-containing ambient air. The residual air, ie unused oxygen and non-oxygen components of the ambient air, leaves the fuel cell via the oxygen outlet 111. The fuel cell stack 101 is connected to a cooling circuit 117 via the coolant inlet 107 and the coolant outlet 113. During the reaction of hydrogen and oxygen to form water, heat is generated that must be dissipated in order not to damage the heat-sensitive electrolyte membrane. The cooling circuit 117 can be a conventional cooling circuit that releases the heat to be dissipated to the environment via a heat exchanger. Optionally, however, it can also be a refrigeration cycle of a refrigeration machine, for example a compression refrigeration machine. A compressor 119 has an electric motor 121 with a driven axle 123. A compressor stage 125 is driven as a radial compressor via the axis 123. Cleaned ambient air is supplied to the compressor stage 125 via an air filter 127 and a compressor inlet 129, compressed in the compressor stage 125 and released as compressed air via a compressor outlet 131. The compressor 119 also has a turbine stage 133, which is connected to the axle 123 in such a way that the axle 123 can be driven via the turbine stage 133. The turbine stage 133 has a turbine inlet 135, via which residual air originating from the fuel cell stack 101 is introduced into the turbine and vented to the ambient air via a turbine outlet 137. Since the residual air from the fuel cell 101 still has considerable excess pressure, it is possible to use it to support the electric motor 121 of the compressor 119 and to operate the system with high efficiency. The compressor 119 is connected to the cooling circuit 117 or a separate cooling circuit for heat dissipation via a compressor coolant inlet 139 and a compressor coolant outlet 141. Downstream of the compressor outlet 131 there is a compressed air heat exchanger 143 through which the compressed air heated during the compression process is passed and thereby cooled. Downstream of the compressed air heat exchanger 143 there is a compressed air humidifier 145, to which the compressed air is supplied after the compressed air heat exchanger 143 and through which an air humidity of the compressed air suitable for the fuel cell stack 101 is ensured. Downstream of the compressed air humidifier 145, the compressed air is supplied to the fuel cell stack 101 via the oxygen inlet. The oxygen portion of the compressed air reacts in the fuel cell stack 101 with the hydrogen supplied to the fuel cell stack 101. The residual air, which is still under excess pressure, leaves the fuel cell stack 101 via the oxygen outlet 111 and is fed to the turbine stage 133 via the turbine inlet 135, whereby the driven axle 123 is driven via the turbine stage 133 ben will. The electrical energy generated by the fuel cell stack 101 is supplied to a storage battery 149 or possible consumers via a DC/DC converter 147. Furthermore, the electrical energy generated by the fuel cell stack 101 is supplied to an inverter 151, which drives the electric motor 121 of the compressor 119. The inverter 151 is connected to the cooling circuit 117 via an inverter coolant input 153 and an inverter coolant output 155. Via a switch 157, the electrical drive energy for the electric motor 121 can be obtained either via the fuel cell stack 101 or via the storage battery 149.

Aufgrund hoher Sicherheits- und Leistungsfähigkeitsanforderungen an den Umschalter 157 ist die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 1 aus dem Stand der Technik teuer und aufwändig.Due to high safety and performance requirements for the changeover switch 157, the fuel cell operating device 1 from the prior art is expensive and complex.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren bereitzustellen, das die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt und insbesondere erlaubt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren zuverlässiger und kostengünstiger bereitzustellen.It is therefore the object of the invention to provide a fuel cell operating device and a fuel cell operating method that eliminates the disadvantages of the prior art and in particular allows a fuel cell operating device and a fuel cell operating method to be provided more reliably and more cost-effectively.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is solved by the subject matter of the subordinate claims. Advantageous further developments are the subject of the subclaims.

Offenbart wird eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, die aufweist: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Sauerstoffeingang und einem Sauerstoffausgang, eine Hilfsdruckluftquelle, die eingerichtet ist, Hilfsdruckluft zu speichern, und einen Kompressor mit: einem Elektromotor, einer Kompressorstufe, und einer Turbinenstufe, wobei die Kompressorstufe eingerichtet ist, über den Elektromotor oder die Turbinenstufe angetrieben zu werden, wobei die Hilfsdruckluftquelle eingerichtet ist, die Kompressorstufe über die Hilfsdruckluft anzutreiben, sodass die Kompressorstufe Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zugeführt wird, oder die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel (201) mit Sauerstoff zu versorgen.Disclosed is a fuel cell operating device comprising: a fuel cell stack with an oxygen input and an oxygen output, an auxiliary compressed air source configured to store auxiliary compressed air, and a compressor comprising: an electric motor, a compressor stage, and a turbine stage, wherein the compressor stage is configured the electric motor or the turbine stage to be driven, wherein the auxiliary compressed air source is set up to drive the compressor stage via the auxiliary compressed air, so that the compressor stage generates compressed air which is supplied to the fuel cell stack via the oxygen inlet, or the auxiliary compressed air to supply the fuel cell stack (201) with oxygen.

Vorteilhaft ist, wenn die Hilfsdruckluft die Turbinenstufe antreibt.It is advantageous if the auxiliary compressed air drives the turbine stage.

Vorteilhaft ist, wenn der Brennstoffzellenstapel einen Ausgang für elektrische Energie aufweist, über den elektrische Energie ausgegeben wird, wenn der Brennstoffzellenstapel in Betrieb ist und mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird, die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel mit Sauerstoff versorgt, und der Elektromotor mit der elektrischen Energie betrieben wird, die durch den Brennstoffzellenstapel über den Ausgang für elektrische Energie ausgegeben wird.It is advantageous if the fuel cell stack has an output for electrical energy, via which electrical energy is output when the fuel cell stack is in operation and is supplied with hydrogen and oxygen, the auxiliary compressed air supplies the fuel cell stack with oxygen, and the electric motor is operated with the electrical energy which is output by the fuel cell stack via the electrical energy output.

Vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine Restluft-Druckluftleitung, die zwischen dem Sauerstoffausgang und einem Turbineneingang vorgesehen ist und eingerichtet ist, aus dem Brennstoffzellenstapel strömende Restluft der Turbinenstufe zuzuführen, wobei aus der Restluft-Druckluftleitung an einer ersten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle Restluft abgeführt und damit das Hilfsdruckluftreservoir mit Hilfsdruckluft befüllt wird, oder aus dem Hilfsdruckluftreservoir Hilfsdruckluft der Restluft-Druckluftleitung an einer ersten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.It is advantageous if the fuel cell operating device further comprises: a residual air compressed air line which is provided between the oxygen outlet and a turbine inlet and is set up to supply residual air flowing from the fuel cell stack to the turbine stage, wherein residual air is discharged from the residual air compressed air line at a first auxiliary compressed air discharge point and so that the auxiliary compressed air reservoir is filled with auxiliary compressed air, or auxiliary compressed air is supplied from the auxiliary compressed air reservoir to the residual air compressed air line at a first auxiliary compressed air supply point.

Vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Sauerstoffausgang und der ersten Hilfsdruck-Ableitungsstelle ein Rückschlagventil vorgesehen ist, das eingerichtet ist, zu verhindern, dass Luft über den Sauerstoffausgang in die Brennstoffzellenstapel einströmt, oder zwischen der ersten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle oder der ersten Hilfsdruckluft-Zuleitungsstelle und dem Hilfsdruckluftreservoir ein Druckregelventil vorgesehen ist.It is advantageous if a check valve is provided between the oxygen outlet and the first auxiliary pressure discharge point, which is designed to prevent air from flowing into the fuel cell stack via the oxygen outlet, or between the first auxiliary compressed air discharge point or the first auxiliary compressed air supply point and the A pressure control valve is provided in the auxiliary compressed air reservoir.

Vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine Zuführungs-Druckluftleitung, die zwischen einem Kompressorausgang und dem Sauerstoffzugang vorgesehen ist und eingerichtet ist, aus der Kompressorstufe strömende Druckluft dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zuzuführen, wobei aus der Zuführungs-Druckluftleitung an einer zweiten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle Restluft abgeführt und damit das Hilfsdruckluftreservoir mit Hilfsdruckluft befüllt wird, oder aus dem Hilfsdruckluftreservoir Hilfsdruckluft der Zuführungs-Druckluftleitung an einer zweiten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.It is advantageous if the fuel cell operating device further has: a supply compressed air line which is provided between a compressor outlet and the oxygen access and is set up to supply compressed air flowing from the compressor stage to the fuel cell stack via the oxygen inlet, with the supply compressed air line being connected to a second auxiliary compressed air line. Discharge point residual air is removed and so that the auxiliary compressed air reservoir is filled with auxiliary compressed air, or auxiliary compressed air is supplied from the auxiliary compressed air reservoir to the supply compressed air line at a second auxiliary compressed air supply point.

Vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Kompressorausgang und der zweiten Hilfsdruck-Ableitungsstelle ein Rückschlagventil vorgesehen ist, dass eingerichtet ist, zu verhindern, dass Luft über den Kompressorausgang in die Kompressorstufe einströmt, oder zwischen der zweiten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle oder der zweiten Hilfsdruckluft-Zuleitungsstelle und dem Hilfsdruckluftreservoir ein Druckregelventil vorgesehen ist.It is advantageous if a check valve is provided between the compressor outlet and the second auxiliary pressure discharge point, which is set up to prevent air from flowing into the compressor stage via the compressor outlet, or between the second auxiliary compressed air discharge point or the second auxiliary compressed air supply point and the A pressure control valve is provided in the auxiliary compressed air reservoir.

Vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine zweite Turbinenstufe, wobei die Kompressorstufe eingerichtet ist, über den Elektromotor, die Turbinenstufe oder die zweite Turbinenstufe angetrieben zu werden, und das Hilfsdruckluftreservoir mit einem zweiten Turbineneingang verbunden ist und eingerichtet ist, beim Betriebsstart die Kompressorstufe über die Hilfsdruckluft und die zweite Turbinenstufe anzutreiben, sodass die Kompressorstufe Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zugeführt wird.It is advantageous if the fuel cell operating device further comprises: a second turbine stage, wherein the compressor stage is set up to be driven via the electric motor, the turbine stage or the second turbine stage, and the auxiliary compressed air reservoir is connected to a second turbine inlet and is set up, When starting operation, the compressor stage is driven via the auxiliary compressed air and the second turbine stage, so that the compressor stage generates compressed air which is supplied to the fuel cell stack via the oxygen inlet.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Hilfsdruckluftreservoir und dem zweiten Turbineneingang ein Druckregelventil vorgesehen.A pressure control valve is advantageously provided between the auxiliary compressed air reservoir and the second turbine inlet.

Offenbart wird ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren für eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, das die Schritte aufweist: Vorsehen eines Hilfsdruckluftreservoirs, Zuführen von Hilfsdruckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir an eine Turbinenstufe eines Kompressors, Betreiben einer Kompressorstufe des Kompressors über die Turbinenstufe; Erzeugen von Druckluft durch die Kompressorstufe, Zuführen von Druckluft an einen Brennstoffzellenstapel, Generieren von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel.Disclosed is a fuel cell operating method for a fuel cell operating device, comprising the steps: providing an auxiliary compressed air reservoir, supplying auxiliary compressed air from the auxiliary compressed air reservoir to a turbine stage of a compressor, operating a compressor stage of the compressor via the turbine stage; Generating compressed air through the compressor stage, supplying compressed air to a fuel cell stack, generating electrical energy through the fuel cell stack.

Offenbart wird ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren für eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, das die Schritte aufweist: Vorsehen eines Hilfsdruckluftreservoirs, Zuführen von Hilfsdruckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir an einen Brennstoffzellenstapel, Generieren von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel, Antreiben eines Elektromotors eines Kompressors mit durch den Brennstoffzellenstapel erzeugter elektrischer Energie, Betreiben einer Kompressorstufe des Kompressors über den Elektromotor, Erzeugen von Druckluft durch die Kompressorstufe, Zuführen von Druckluft an einen Brennstoffzellenstapel.Disclosed is a fuel cell operating method for a fuel cell operating device, which has the steps: providing an auxiliary compressed air reservoir, supplying auxiliary compressed air from the auxiliary compressed air reservoir to a fuel cell stack, generating electrical energy through the fuel cell stack, driving an electric motor of a compressor with electrical energy generated by the fuel cell stack, operating a Compressor stage of the compressor via the electric motor, generating compressed air through the compressor stage, supplying compressed air to a fuel cell stack.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

  • 1 zeigt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung aus dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Kernelemente des ersten Ausführungsbeispiels.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der Kernelemente eines zweiten Ausführungsbeispiels.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung der Kernelemente eines dritten Ausführungsbeispiels.
Exemplary embodiments of the invention are described using the figures.
  • 1 shows a fuel cell operating device from the prior art.
  • 2 shows a fuel cell operating device according to a first exemplary embodiment.
  • 3 shows a schematic representation of the core elements of the first exemplary embodiment.
  • 4 shows a schematic representation of the core elements of a second exemplary embodiment.
  • 5 shows a schematic representation of the core elements of a third exemplary embodiment.

Anhand 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.Based 2 A first exemplary embodiment of the invention is described.

2 zeigt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2. Ein Brennstoffzellenstapel 101 weist einen Wasserstoffeingang 203, einen Sauerstoffeingang 205 und einen Kühlmitteleingang 207 auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel einen Wasserstoffausgang 209, einen Sauerstoffausgang 211 und einen Kühlmittelausgang 213 auf. Über den Wasserstoffeingang 203 ist der Brennstoffzellenstapel 201 mit einem Wasserstoffreservoir 215 üblicherweise in Form eines Hochdruck-Wasserstofftanks oder eines Metallhydridspeichers verbunden. Aus diesem wird der Brennstoffzellenstapel 201 mit Wasserstoff versorgt. Überschüssiger, bei der Reaktion nicht benötigter Wasserstoff kann über den Wasserstoffausgang 209 rezirkuliert und dem Brennstoffzellenstapel 201 über den Wasserstoffeingang 203 erneut zugeführt werden. Über den Sauerstoffeingang 205 wird der Brennstoffzellenstapel 201 mit Sauerstoff versorgt, üblicherweise in Form von sauerstoffhaltiger Umgebungsluft. Über den Sauerstoffausgang 211 verlässt die Restluft, d.h. nicht verbrauchter Sauerstoff und Nicht-Sauersoff-Bestandteile der Umgebungsluft die Brennstoffzelle. Über den Kühlmitteleingang 207 und den Kühlmittelausgang 213 ist der Brennstoffzellenstapel 201 an einen Kühlkreis 217 angeschlossen. Während der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, um die wärmeempfindliche Elektrolytmembran nicht zu beschädigen. Bei dem Kühlkreis 217 kann es sich um einen herkömmlichen Kühlkreis handeln, der die abzuführende Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgibt. Optional kann es sich jedoch auch um einen Kältezyklus einer Kältemaschine, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine handeln. 2 shows a fuel cell operating device 2. A fuel cell stack 101 has a hydrogen inlet 203, an oxygen inlet 205 and a coolant inlet 207. Furthermore, the fuel cell stack has a hydrogen output 209, an oxygen output 211 and a coolant output 213. The fuel cell stack 201 is connected via the hydrogen inlet 203 to a hydrogen reservoir 215, usually in the form of a high-pressure hydrogen tank or a metal hydride storage. From this, the fuel cell stack 201 is supplied with hydrogen. Excess hydrogen that is not required in the reaction can be recirculated via the hydrogen outlet 209 and fed again to the fuel cell stack 201 via the hydrogen inlet 203. The fuel cell stack 201 is supplied with oxygen via the oxygen inlet 205, usually in the form of oxygen-containing ambient air. The residual air, ie unused oxygen and non-oxygen components of the ambient air, leaves the fuel cell via the oxygen outlet 211. The fuel cell stack 201 is connected to a cooling circuit 217 via the coolant inlet 207 and the coolant outlet 213. During the reaction of hydrogen and oxygen to form water, heat is generated that must be dissipated in order not to damage the heat-sensitive electrolyte membrane. The cooling circuit 217 can be a conventional cooling circuit that releases the heat to be dissipated to the environment via a heat exchanger. Optionally, however, it can also be a refrigeration cycle of a refrigeration machine, for example a compression refrigeration machine.

Ein Kompressor 219 weist einen Elektromotor 221 mit einer angetriebenen Achse 223 auf. Über die Achse 223 wird eine Kompressorstufe 225 als Radialverdichter angetrieben. Über einen Luftfilter 227 und einen Kompressoreingang 229 wird der Kompressorstufe 225 gereinigte Umgebungsluft zugeführt, in der Kompressorstufe 225 verdichtet und über einen Kompressorausgang 231 als Druckluft abgegeben. Der Kompressor 219 weist ferner eine Turbinenstufe 233 auf, die mit der Achse 223 derart verbunden ist, dass die Achse 223 über die Turbinenstufe 233 antreibbar ist. Die Turbinenstufe 233 weist einen Turbineneingang 235 auf, über die aus dem Brennstoffzellenstapel 201 stammende Restluft in die Turbine eingeführt und über einen Turbinenausgang 237 an die Umgebungsluft entlüftet wird. Da die Restluft aus der Brennstoffzelle 201 noch Überdruck in Höhe zwischen 1 bar und 2 bar aufweist, ist es möglich, damit den Elektromotor 221 des Kompressors 219 zu unterstützen und das System mit hoher Effizienz zu betreiben. Über einen Kompressorkühlmitteleingang 239 und einen Kompressorkühlmittelausgang 241 ist der Kompressor 219 zur Wärmeabfuhr an den Kühlkreis 217 oder einen separaten Kühlkreis angeschlossen.A compressor 219 has an electric motor 221 with a driven axle 223. A compressor stage 225 is driven as a radial compressor via the axis 223. Cleaned ambient air is supplied to the compressor stage 225 via an air filter 227 and a compressor inlet 229, compressed in the compressor stage 225 and released as compressed air via a compressor outlet 231. The compressor 219 also has a turbine stage 233, which is connected to the axis 223 in such a way that the axis 223 can be driven via the turbine stage 233. The turbine stage 233 has a turbine inlet 235, via which residual air from the fuel cell stack 201 is introduced into the turbine and vented to the ambient air via a turbine outlet 237. Since the residual air from the fuel cell 201 still has an excess pressure of between 1 bar and 2 bar, it is possible to support the electric motor 221 of the compressor 219 and to operate the system with high efficiency. The compressor 219 is connected to the cooling circuit 217 or a separate cooling circuit for heat dissipation via a compressor coolant inlet 239 and a compressor coolant outlet 241.

Stromabwärtig des Kompressorausgangs 231 befindet sich ein Druckluftwärmetauscher 243, durch den die sich während des Verdichtungsvorgangs erhitzte Druckluft geführt wird und dadurch abgekühlt wird. Stromabwärtig des Druckluftwärmetauschers 243 befindet sich ein Druckluftbefeuchter 245, dem die Druckluft nach dem Druckluftwärmetauscher 243 zugeführt wird und durch den eine für den Brennstoffzellenstapel 201 geeignete Luftfeuchtigkeit der Druckluft sichergestellt wird. Stromabwärtig des Druckluftbefeuchters 245 wird die Druckluft über den Sauerstoffeingang 205 dem Brennstoffzellenstapel 201 zugeführt. Der Sauerstoffanteil der Druckluft reagiert in dem Brennstoffzellenstapel 201 mit dem dem Brennstoffzellenstapel 201 über den Wasserstoffeingang 203 zugeführten Wasserstoff. Die immer noch unter Überdruck stehende Restluft verlässt unter Abtrennung des entstandenen Wassers über den Sauerstoffausgang 211 den Brennstoffzellenstapel 201 und wird über den Turbineneingang 235 der Turbinenstufe 233 zugeführt, wodurch über die Turbinenstufe 233 die angetriebene Achse 223 angetrieben wird. Die Druckluft wird dann über den Turbinenausgang 237 an den Umgebungsdruck entlüftet.Downstream of the compressor outlet 231 there is a compressed air heat exchanger 243, through which the compressed air heated during the compression process is passed and thereby cooled. Downstream of the compressed air heat exchanger 243 there is a compressed air humidifier 245, to which the compressed air is supplied after the compressed air heat exchanger 243 and through which an air humidity of the compressed air suitable for the fuel cell stack 201 is ensured. Downstream of the compressed air humidifier 245, the compressed air is supplied to the fuel cell stack 201 via the oxygen inlet 205. The oxygen portion of the compressed air reacts in the fuel cell stack 201 with the hydrogen supplied to the fuel cell stack 201 via the hydrogen inlet 203. The residual air, which is still under excess pressure, leaves the fuel cell stack 201 via the oxygen outlet 211 and is fed to the turbine stage 233 via the turbine inlet 235, whereby the driven axle 223 is driven via the turbine stage 233. The compressed air is then vented to the ambient pressure via the turbine outlet 237.

Die von dem Brennstoffzellenstapel 201 erzeugte elektrische Energie wird über einen DC/DC-Wandler 247 einer Speicherbatterie 249 oder möglichen Verbrauchern zugeführt. Ferner wird die von dem Brennstoffzellenstapel 201 erzeugte elektrische Energie einem Inverter 251 zugeführt, der den Elektromotor 221 des Kompressors 219 antreibt. Der Inverter 251 ist über einen Inverterkühlmitteleingang 253 und einen Inverterkühlmittelausgang 255 an den Kühlkreis 217 angeschlossen. Alternativ ist der Inverter 251 an einen eigenen Kühlkreis angeschlossen.The electrical energy generated by the fuel cell stack 201 is supplied to a storage battery 249 or possible consumers via a DC/DC converter 247. Furthermore, the electrical energy generated by the fuel cell stack 201 is supplied to an inverter 251, which drives the electric motor 221 of the compressor 219. The inverter 251 is connected to the cooling circuit 217 via an inverter coolant input 253 and an inverter coolant output 255. Alternatively, the inverter 251 is connected to its own cooling circuit.

Stromabwärtig des Sauerstoffausgangs 211 ist in einer Restluft-Druckluftleitung 258, die im Anschluss an den Sauerstoffausgang 211 folgt und die Restluft zum Turbineneingang 235 leitet, ein Rückschlagventil 259 als Rückflusssperre vorgesehen, das eingerichtet ist, dafür Sorge zu tragen, dass über den Sauerstoffausgang 211 kein Luftstrom zurück in den Brennstoffzellenstapel 201 erfolgen kann. Stromabwärtig des Rückschlagventils 259 zweigt aus der Restluft-Druckluftleitung 258 ein Hilfsdruckluftreservoir 261 ab, sodass das Hilfsdruckluftreservoir 261 über die druckbeaufschlagte Restluft gefüllt werden kann. Über ein Druckregelventil 263 kann das Hilfsdruckluft-Reservoir 261 von der Restluft-Druckluftleitung 258 abgetrennt werden.Downstream of the oxygen outlet 211, a check valve 259 is provided as a non-return valve in a residual air compressed air line 258, which follows the oxygen outlet 211 and directs the residual air to the turbine inlet 235, which is designed to ensure that no flow occurs via the oxygen outlet 211 Air flow back into the fuel cell stack 201 can take place. Downstream of the check valve 259, an auxiliary compressed air reservoir 261 branches off from the residual air compressed air line 258, so that the auxiliary compressed air reservoir 261 can be filled via the pressurized residual air. The auxiliary compressed air reservoir 261 can be separated from the residual air compressed air line 258 via a pressure control valve 263.

Anhand 3 wird die Funktionsweise der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben.Based 3 The operation of the fuel cell operating device 2 of the first exemplary embodiment is described.

Während des herkömmlichen Betriebs wird die Kompressorstufe 225 des Kompressors 219 über den Elektromotor 221 betrieben und am Kompressorausgang 231 Druckluft ausgestoßen. Über den Sauerstoffeingang 205 durchläuft diese wie oben beschrieben den Brennstoffzellenstapel 201 und tritt als Restluft am Sauerstoffausgang 211 aus dem Brennstoffzellenstapel 201 aus und in die Restluft-Druckluftleitung 258 ein. Mit dem Druck der Restluft-Druckluftleitung 258 wird das Hilfsdruckluftreservoir 261 befüllt. Beim Beenden des Betriebs der Brennstoffzelle wird das Druckregelventil 263 geschlossen und die Energiezufuhr an den Elektromotor 221 des Kompressors 219 eingestellt, worauf der Druck im System abfällt und die Tätigkeit des Brennstoffzellenstapels 201 mangels Sauerstoffzufuhr zum Erliegen kommt. Soll der Betrieb der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 wieder aufgenommen werden, wird das Druckregelventil 263 geöffnet. Die daraufhin aus dem Hilfsdruckluftreservoir 261 ausströmende Druckluft wird vom Rückschlagventil 259 daran gehindert, zurück in den Brennstoffzellenstapel 201 zu strömen und wird dadurch über den Turbineneingang 235 der Turbine 233 zugeführt und über den Turbinenausgang 237 an die Umgebung entlüftet. Die Turbine 233 treibt daraufhin über die Achse 223 die Kompressorstufe 225 an, die Druckluft erzeugt und dem Brennstoffzellenstapel 201 zuführt, der daraufhin den Betrieb aufnimmt, elektrische Energie abgibt und damit den Elektromotor 221 des Kompressors betreiben kann. Daraufhin wechselt die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 in den regulären Betrieb.During conventional operation, the compressor stage 225 of the compressor 219 is operated via the electric motor 221 and compressed air is ejected at the compressor outlet 231. As described above, it passes through the fuel cell stack 201 via the oxygen inlet 205 and exits the fuel cell stack 201 as residual air at the oxygen outlet 211 and enters the residual air compressed air line 258. The auxiliary compressed air reservoir 261 is filled with the pressure of the residual air compressed air line 258. When the operation of the fuel cell ends, the pressure control valve 263 is closed and the energy supply to the electric motor 221 of the compressor 219 is stopped, whereupon the pressure in the system drops and the activity of the fuel cell stack 201 comes to a standstill due to a lack of oxygen supply. If the operation of the fuel cell operating device 2 is to be resumed, the pressure control valve 263 is opened. The compressed air then flowing out of the auxiliary compressed air reservoir 261 is prevented from flowing back into the fuel cell stack 201 by the check valve 259 and is thereby fed to the turbine 233 via the turbine inlet 235 and vented to the environment via the turbine outlet 237. The turbine 233 then drives the compressor stage 225 via the axis 223, which generates compressed air and supplies it to the fuel cell stack 201, which then starts operation, emits electrical energy and can thus operate the electric motor 221 of the compressor. The fuel cell operating device 2 then switches to regular operation.

Optional kann zwischen dem Kompressorausgang 231 und dem Turbineneingang 235 eine Überstromdrossel 265 vorgesehen sein, über die die Druckluft nicht dem Brennstoffzellenstapel 201 sondern der Turbinenstufe 233 zugeführt wird, solange bis der Druck in der Restluft-Druckluftleitung 258 soweit gesunken ist, dass über den Sauerstoffausgang 211 ein Luftfluss über das Rückschlagventil 259 möglich ist.Optionally, an overcurrent throttle 265 can be provided between the compressor outlet 231 and the turbine inlet 235, via which the compressed air is not supplied to the fuel cell stack 201 but to the turbine stage 233 until the pressure in the residual air compressed air line 258 has dropped to such an extent that it can be supplied via the oxygen outlet 211 an air flow via the check valve 259 is possible.

Anhand von 4 wird der Aufbau und die Funktionsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 beschrieben.Based on 4 The structure and operation of a second exemplary embodiment of a fuel cell operating device 3 according to the invention is described.

Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 des zweiten Ausführungsbeispiels ist aufgebaut wie die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels und unterscheidet sich lediglich in den nachfolgend beschriebenen Punkten. Für eine Beschreibung aller übrigen Merkmale kann auf die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels zurückgegriffen werden.The fuel cell operating device 3 of the second exemplary embodiment is constructed like the fuel cell operating device 2 of the first exemplary embodiment and differs only in the points described below. For a description of all other features, reference can be made to the fuel cell operating device 2 of the first exemplary embodiment.

Stromabwärtig des Kompressorausgangs 231 ist ein Rückschlagventil 359 in der die Druckluft von dem Kompressor 219 zum Brennstoffzellenstapel 201 zuführenden Zuführungs-Druckluftleitung 358 als Rückflusssperre vorgesehen. Stromabwärtig des Rückschlagventils 359 zweigt aus der Zuführungs-Druckluftleitung 358 ein Hilfsdruck Luftreservoir 361 ab, sodass das Hilfsdruckluftreservoir 361 über die Druckluft aus dem Kompressorausgang 231 gefüllt werden kann. Über ein Druckregelventil 363 kann das Hilfsdruckluftreservoir 361 von der Zuführungs-Druckluft 358 abgetrennt werden.Downstream of the compressor outlet 231 is a check valve 359 in which the compressed air Compressed air supply line 358 from the compressor 219 to the fuel cell stack 201 is provided as a non-return valve. Downstream of the check valve 359, an auxiliary pressure air reservoir 361 branches off from the supply compressed air line 358, so that the auxiliary compressed air reservoir 361 can be filled via the compressed air from the compressor outlet 231. The auxiliary compressed air reservoir 361 can be separated from the supply compressed air 358 via a pressure control valve 363.

Während des herkömmlichen Betriebs wird die Kompressorstufe 225 des Kompressors 219 über den Elektromotor 221 betrieben und am Kompressorausgang 231 Druckluft ausgestoßen. Über die Zuführungs-Druckluftleitung 358 wird die Druckluft dem Brennstoffzellenstapel 201 zugeführt. Mit dem Druck der Zuführungs-Druckluftleitung 358 wird das Hilfsdruckluftreservoir 361 befüllt. Beim Beenden des Betriebs der Brennstoffzelle wird das Druckregelventil 363 geschlossen und die Energiezufuhr an den Elektromotor 221 des Kompressors 219 eingestellt, worauf der Druck im System abfällt und die Tätigkeit des Brennstoffzellenstapels 201 mangels Sauerstoffzufuhr zum Erliegen kommt. Soll der Betrieb der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 wieder aufgenommen werden, wird das Druckregelventil 363 geöffnet. Die daraufhin aus dem Hilfsdruckluftreservoir 361 ausströmende Druckluft wird vom Rückschlagventil 359 daran gehindert, zurück in die Kompressorstufe 225 zu strömen und wird dadurch über den Sauerstoffeingang 205 dem Brennstoffzellenstapel 201, und anschließend der Turbinenstufe 233 zugeführt und über den Turbinenausgang 237 an die Umgebung entlüftet. Der Brennstoffzellenstapel 201 nimmt den Betrieb auf, gibt elektrische Energie ab, über die der Elektromotor 221 des Kompressors 219 betrieben werden kann. Ferner treibt auch die Turbine 233 über die Achse 223 die Kompressorstufe 225 an. Damit wird Druckluft über die Kompressorstufe 231 erzeugt und die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 wechselt in den regulären Betrieb.During conventional operation, the compressor stage 225 of the compressor 219 is operated via the electric motor 221 and compressed air is ejected at the compressor outlet 231. The compressed air is supplied to the fuel cell stack 201 via the supply compressed air line 358. The auxiliary compressed air reservoir 361 is filled with the pressure of the supply compressed air line 358. When the operation of the fuel cell ends, the pressure control valve 363 is closed and the energy supply to the electric motor 221 of the compressor 219 is stopped, whereupon the pressure in the system drops and the activity of the fuel cell stack 201 comes to a standstill due to a lack of oxygen supply. If the operation of the fuel cell operating device 3 is to be resumed, the pressure control valve 363 is opened. The compressed air then flowing out of the auxiliary compressed air reservoir 361 is prevented from flowing back into the compressor stage 225 by the check valve 359 and is thereby fed to the fuel cell stack 201 via the oxygen inlet 205 and then to the turbine stage 233 and vented to the environment via the turbine outlet 237. The fuel cell stack 201 begins operation and emits electrical energy, via which the electric motor 221 of the compressor 219 can be operated. Furthermore, the turbine 233 also drives the compressor stage 225 via the axis 223. Compressed air is thus generated via the compressor stage 231 and the fuel cell operating device 3 switches to regular operation.

Optional kann zwischen dem Kompressorausgang 231 und dem Turbineneingang 235 eine Überstromdrossel 265 vorgesehen sein, über die die Druckluft nicht dem Brennstoffzellenstapel 201 sondern der Turbinenstufe 233 zugeführt wird, solange bis der Druck in der Zuführungs-Druckluftleitung 358 soweit gesunken ist, dass über den Sauerstoffeingang 205 ein Luftfluss über das Rückschlagventil 359 möglich ist.Optionally, an overcurrent throttle 265 can be provided between the compressor outlet 231 and the turbine inlet 235, via which the compressed air is not supplied to the fuel cell stack 201 but to the turbine stage 233 until the pressure in the supply compressed air line 358 has dropped to such an extent that via the oxygen inlet 205 an air flow via the check valve 359 is possible.

Anhand von 5 wird der Aufbau und die Funktionsweise eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 beschrieben.Based on 5 The structure and operation of a third exemplary embodiment of a fuel cell operating device 4 according to the invention is described.

Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 des dritten Ausführungsbeispiels ist aufgebaut wie die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels und unterscheidet sich lediglich in den nachfolgend beschriebenen Punkten. Für eine Beschreibung aller übrigen Merkmale kann auf die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels zurückgegriffen werden.The fuel cell operating device 4 of the third embodiment is constructed like the fuel cell operating device 2 of the first embodiment and differs only in the points described below. For a description of all other features, reference can be made to the fuel cell operating device 2 of the first exemplary embodiment.

Ein Hilfsdruckluftreservoir 461 ist in der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 vorgesehen. Hierbei handelt es sich nicht um einen Teil des Brennstoffzellendruckluftkreislaufs sondern um ein externes Hilfsdruckluftreservoir beispielsweise eines pneumatischen Bremssystems eines Nutzfahrzeugs oder um ein vollständig unabhängiges Druckluftsystem. Über einen nicht gezeigten Kompressor wird das Hilfsdruckluftreservoir 461 mit Druckluft über einen Druckluftzugang 458 befüllt. Ein Rückschlagventil 459 ist als Rückflusssperre in dem Druckluftzugang 458 vorgesehen.An auxiliary compressed air reservoir 461 is provided in the fuel cell operating device 4. This is not a part of the fuel cell compressed air circuit but rather an external auxiliary compressed air reservoir, for example of a pneumatic braking system of a commercial vehicle or a completely independent compressed air system. The auxiliary compressed air reservoir 461 is filled with compressed air via a compressed air access 458 via a compressor, not shown. A check valve 459 is provided as a non-return valve in the compressed air access 458.

Stromabwärtig des Rückschlagventils 459 zweigt aus dem Druckluftzugang 458 das Hilfsdruckluftreservoir 461 ab, sodass das Hilfsdruckluftreservoir 461 über die Druckluft gefüllt werden kann. Über ein Druckregelventil 463 kann das Hilfsdruckluftreservoir 461 von dem Druckluftzugang 458 abgetrennt werden. Der Druckluft-Zugang 458 ist an einen zweiten Turbineneingang 435 einer zweiten Turbinenstufe 433 angeschlossen. Die zweite Turbinenstufe 433 ist wie die erste Turbinenstufe 233 an die Antriebsachse 233 gekoppelt, sodass mit der zweiten Turbinenstufe 433 die Kompressorstufe 225 angetrieben werden kann, wenn Druckluft in die zweite Turbine 433 einströmt.Downstream of the check valve 459, the auxiliary compressed air reservoir 461 branches off from the compressed air access 458, so that the auxiliary compressed air reservoir 461 can be filled via the compressed air. The auxiliary compressed air reservoir 461 can be separated from the compressed air access 458 via a pressure control valve 463. The compressed air access 458 is connected to a second turbine inlet 435 of a second turbine stage 433. The second turbine stage 433, like the first turbine stage 233, is coupled to the drive axle 233, so that the second turbine stage 433 can drive the compressor stage 225 when compressed air flows into the second turbine 433.

Soll der Betrieb der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 wieder aufgenommen werden, wird das Druckregelventil 463 geöffnet. Die daraufhin aus dem Hilfsdruckluftreservoir 361 ausströmende Druckluft wird vom Rückschlagventil 459 daran gehindert, auszuströmen und wird dadurch der zweiten Turbinenstufe 433 zugeführt und über den zweiten Turbinenausgang 437 an die Umgebung entlüftet. Die zweite Turbine 433 treibt daraufhin über die Achse 223 die Kompressorstufe 225 an, die Druckluft erzeugt und dem Brennstoffzellenstapel 201 zuführt, der daraufhin den Betrieb aufnimmt, elektrische Energie abgibt und damit den Elektromotor 221 des Kompressors betreiben kann. Daraufhin wechselt die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 in den regulären Betrieb.If the operation of the fuel cell operating device 4 is to be resumed, the pressure control valve 463 is opened. The compressed air then flowing out of the auxiliary compressed air reservoir 361 is prevented from flowing out by the check valve 459 and is thereby fed to the second turbine stage 433 and vented to the environment via the second turbine outlet 437. The second turbine 433 then drives the compressor stage 225 via the axis 223, which generates compressed air and supplies it to the fuel cell stack 201, which then starts operation, emits electrical energy and can thus operate the electric motor 221 of the compressor. The fuel cell operating device 4 then switches to regular operation.

Der Kompressor 219 ist in den Ausführungsbeispielen so ausgeführt, dass die die angetriebene Achse 223 luftgelagert ist und daher zur Aufrechterhaltung der Lagerung eine Mindestdrehzahl nicht unterschritten werden darf. Sinkt der Sauerstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels 201 auf eine Menge ab, bei der die Mindestdrehzahl unterschritten würde, kann durch eine optionale, zwischen dem Kompressorausgang 231 und dem Turbineneingang 235 vorgesehene Überstromdrossel 265 , über die die Druckluft nicht dem Brennstoffzellenstapel 201 sondern unter Umgehung des Brennstoffzellenstapels 201 der Turbinenstufe 233 zugeführt wird, die Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 201 reduziert und dennoch die Mindestdrehzahl aufrecht erhalten werden..In the exemplary embodiments, the compressor 219 is designed in such a way that the driven axle 223 is air-mounted and therefore the speed must not fall below a minimum speed in order to maintain the bearing. The oxygen requirement of the fuel cell stack 201 drops to one Amount at which the minimum speed would be undershot can be supplied by an optional overflow throttle 265 provided between the compressor output 231 and the turbine inlet 235, via which the compressed air is not supplied to the fuel cell stack 201 but to the turbine stage 233, bypassing the fuel cell stack 201 the fuel cell stack 201 can be reduced and the minimum speed can still be maintained.

Die Erfindung wurde mittels Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich erläuternder Natur und beschränken nicht die Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist. Erkennbar für den Fachmann sind Abweichungen von dem Ausführungsbeispiel möglich, ohne dass der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird.The invention was described using exemplary embodiments. The embodiments are merely illustrative in nature and do not limit the invention as defined by the claims. As will be apparent to those skilled in the art, deviations from the exemplary embodiment are possible without departing from the scope of protection of the claims.

So wurde im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Hilfsdruckluftreservoir ein Druckluftspeicher beschrieben, der durch den Kompressor zur Luftversorgung des Brennstoffzellenstapels im Betrieb gefüllt wurde. Das Hilfsdruckluftreservoir kann aber auch durch einen dedizierten Kompressor, dessen alleinige Aufgabe es ist, das Hilfsreservoir zu befüllen, oder durch einen Kompressor eines anderen Systems, wie beispielsweise eines pneumatischen Bremssystems, befüllt werden. Ferner kann anstelle über das Hilfsruckluftreservoir als Druckluftspeicher die Versorgung direkt durch den dedizierten oder externen Kompressor als Hilfsdruckluftquelle erfolgen.In the first and second exemplary embodiments, a compressed air reservoir was described as an auxiliary compressed air reservoir, which was filled by the compressor to supply air to the fuel cell stack during operation. However, the auxiliary compressed air reservoir can also be filled by a dedicated compressor, whose sole task is to fill the auxiliary reservoir, or by a compressor of another system, such as a pneumatic brake system. Furthermore, instead of using the auxiliary compressed air reservoir as a compressed air storage, the supply can be provided directly by the dedicated or external compressor as an auxiliary compressed air source.

So wurde im dritten Ausführungsbeispiel die externe Druckluftquelle als pneumatisches Bremssystem beschrieben. Alternativ ist jede andere Druckluftquelle einsetzbar, beispielsweise das Druckluftsystem einer pneumatischen Federung oder ein gänzlich eigenständiges Druckluftsystem.In the third exemplary embodiment, the external compressed air source was described as a pneumatic brake system. Alternatively, any other compressed air source can be used, for example the compressed air system of a pneumatic suspension or a completely independent compressed air system.

Insbesondere ist es möglich, Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu kombinieren.In particular, it is possible to combine features from different exemplary embodiments.

So ist es beispielsweise möglich, die zweite Turbinenstufe des dritten Ausführungsbeispiels auch in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Ziel für die Druckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir zu verwenden, oder dass die Hilfsdruckluftquelle aus dem dritten Ausführungsbeispiel auf die erste Turbinenstufe des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels wirkt. Auch ist es möglich, die Ausführungsbeispiele so zu kombinieren, dass der Gegenstand jede Kombination der Hilfsdruckluftversorgung, insbesondere das Vorsehen aller drei Hilfsdruckluftversorgungssysteme aufweist.For example, it is possible to use the second turbine stage of the third exemplary embodiment as a target for the compressed air from the auxiliary compressed air reservoir in the first and second exemplary embodiments, or for the auxiliary compressed air source from the third exemplary embodiment to act on the first turbine stage of the first or second exemplary embodiment. It is also possible to combine the exemplary embodiments in such a way that the object has any combination of the auxiliary compressed air supply, in particular the provision of all three auxiliary compressed air supply systems.

Auch ist es möglich, dass das Hilfsdruckreservoir auch im ersten Ausführungsbeispiel und im zweiten Ausführungsbeispiel nicht aus dem Druckluft-System der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung befüllt wird, sondern Teil eines externen pneumatischen Systems wie einer pneumatischen Bremse oder dergleichen ist. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise im Hilfsdruckluftreservoir ein höherer Hilfsdruck erzeugen, als in einem Druckluftsystem für einen Brennstoffzellenstapel üblich, womit ein sichereres und kontrollierteres Hochfahren des Betriebs der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung möglich ist.It is also possible for the auxiliary pressure reservoir in the first exemplary embodiment and in the second exemplary embodiment not to be filled from the compressed air system of the fuel cell operating device, but rather to be part of an external pneumatic system such as a pneumatic brake or the like. This advantageously allows a higher auxiliary pressure to be generated in the auxiliary compressed air reservoir than is usual in a compressed air system for a fuel cell stack, which enables a safer and more controlled start-up of the operation of the fuel cell operating device.

Die Junktoren ... „und“, „oder“ und „entweder ... oder“ werden in der Bedeutung verwendet, die an die logische Konjunktion (logisches UND), die logische Adjunktion (logisches ODER, oft „und/oder“), bzw. die logische Kontravalenz (logisches Exklusiv-ODER) angelehnt sind. Insbesondere kann im Gegensatz zu „entweder ... oder“ der Junktor „oder“ das gemeinsame Vorliegen beider Operanden beinhalten.The junctions ... "and", "or" and "either ... or" are used in the meaning reminiscent of the logical conjunction (logical AND), the logical adjunction (logical OR, often "and/or") , or the logical contravalence (logical exclusive OR). In particular, in contrast to “either ... or,” the junctor “or” can contain the joint presence of both operands.

Eine Auflistung von Verfahrensschritten hat in der Beschreibung und den Ansprüchen lediglich aufzählende Funktion der erforderlichen Verfahrensschritte. Sie impliziert keine notwendige Ordnung oder Reihenfolge der Verfahrensschritte, es sei denn, eine solche Ordnung oder Reihenfolge wird explizit angegeben oder ergibt sich für den Fachmann in offensichtlicher Weise. Ferner ergibt sich aus einer solchen Auflistung nicht deren Abgeschlossenheit.A list of process steps in the description and the claims only has the function of listing the required process steps. It does not imply any necessary order or sequence of the procedural steps, unless such order or sequence is explicitly stated or is obvious to the person skilled in the art. Furthermore, such a list does not mean that it is complete.

Der Begriff „Aufweisen“ bedingt in den Ansprüchen keine abschließende Auflistung; das Vorhandensein weiterer Elemente und Schritte ist möglich.The term “having” does not imply an exhaustive list in the claims; the presence of additional elements and steps is possible.

Die Verwendung des unbestimmten Artikels „ein“ oder „eine“ schließt das Vorhandensein einer Mehrzahl nicht aus, sondern ist als „mindestens ein“ oder „mindestens eine“ zu verstehen, es sei denn, er wird als „genau ein“ oder „genau eine“ eingeschränkt.The use of the indefinite article "a" or "an" does not exclude the presence of a plural, but is to be understood as "at least one" or "at least one", unless it is translated as "exactly one" or "exactly one". " restricted.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

11
Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (Stand der Technik)Fuel cell operating device (prior art)
101101
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
103103
WasserstoffeingangHydrogen input
105105
SauerstoffeingangOxygen input
107107
KühlmitteleingangCoolant inlet
109109
WasserstoffausgangHydrogen output
111111
SauerstoffausgangOxygen output
113113
KühlmittelausgangCoolant outlet
115115
WasserstoffreservoirHydrogen reservoir
117117
KühlkreisCooling circuit
119119
Kompressorcompressor
121121
ElektromotorElectric motor
123123
angetriebene Achse des Elektromotorsdriven axle of the electric motor
125125
Kompressorstufe, RadialverdichterCompressor stage, centrifugal compressor
127127
LuftfilterAir filter
129129
KompressoreingangCompressor input
131131
KompressorausgangCompressor output
133133
Turbinenstufeturbine stage
135135
TurbineneingangTurbine inlet
137137
TurbinenausgangTurbine output
139139
KompressorkühlmitteleingangCompressor coolant inlet
141141
KompressorkühlmittelausgangCompressor coolant outlet
143143
DruckluftwärmetauscherCompressed air heat exchanger
145145
DruckluftbefeuchterCompressed air humidifier
147147
DC/DC-WandlerDC/DC converter
149149
SpeicherbatterieStorage battery
151151
InverterInverters
153153
InverterkühlmitteleingangInverter coolant inlet
155155
InverterkühlmittelausgangInverter coolant output
157157
UmschalterToggle switch
22
Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (erstes Ausführungsbeispiel)Fuel cell operating device (first embodiment)
201201
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
203203
WasserstoffeingangHydrogen input
205205
SauerstoffeingangOxygen input
207207
KühlmitteleingangCoolant inlet
209209
WasserstoffausgangHydrogen output
211211
SauerstoffausgangOxygen output
213213
KühlmittelausgangCoolant outlet
215215
WasserstoffreservoirHydrogen reservoir
217217
KühlkreisCooling circuit
219219
Kompressorcompressor
221221
ElektromotorElectric motor
223223
angetriebene Achse des Elektromotorsdriven axle of the electric motor
225225
Kompressorstufe, RadialverdichterCompressor stage, centrifugal compressor
227227
LuftfilterAir filter
229229
KompressoreingangCompressor input
231231
KompressorausgangCompressor output
233233
Turbinenstufeturbine stage
235235
TurbineneingangTurbine inlet
237237
TurbinenausgangTurbine output
239239
KompressorkühlmitteleingangCompressor coolant inlet
241241
KompressorkühlmittelausgangCompressor coolant outlet
243243
DruckluftwärmetauscherCompressed air heat exchanger
245245
DruckluftbefeuchterCompressed air humidifier
247247
DC/DC-WandlerDC/DC converter
249249
SpeicherbatterieStorage battery
251251
InverterInverters
253253
InverterkühlmitteleingangInverter coolant inlet
255255
InverterkühlmittelausgangInverter coolant output
258258
Restluft-DruckluftleitungResidual air compressed air line
259259
Rückschlagventilcheck valve
261261
Hilfsdruckluftreservoir, HilfsdruckluftquelleAuxiliary compressed air reservoir, auxiliary compressed air source
263263
DruckregelventilPressure control valve
265265
ÜberstromdrosselOvercurrent choke
33
Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (zweites Ausführungsbeispiel)Fuel cell operating device (second embodiment)
358358
Zuführungs-DruckluftleitungSupply compressed air line
359359
Rückschlagventilcheck valve
361361
Hilfsdruckluftreservoir, HilfsdruckluftquelleAuxiliary compressed air reservoir, auxiliary compressed air source
363363
DruckregelventilPressure control valve
44
Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (drittes Ausführungsbeispiel)Fuel cell operating device (third embodiment)
458458
DruckluftzugangCompressed air access
459459
Rückschlagventilcheck valve
461461
Hilfsdruckluftreservoir, HilfsdruckluftquelleAuxiliary compressed air reservoir, auxiliary compressed air source
463463
DruckregelventilPressure control valve

Claims (15)

Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2, 3, 4), die aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (201) mit einem Sauerstoffeingang (205) und einem Sauerstoffausgang (211), eine Hilfsdruckluftquelle (261, 361, 461), die eingerichtet ist, Hilfsdruckluft bereitzustellen, und einen Kompressor (219) mit: einem Elektromotor (221), einer Kompressorstufe (225), und einer Turbinenstufe (233, 433), wobei die Kompressorstufe (225) eingerichtet ist, über den Elektromotor (221) oder die Turbinenstufe (233, 433) angetrieben zu werden, wobei die Hilfsdruckluftquelle eingerichtet ist, die Kompressorstufe (225) über die Hilfsdruckluft anzutreiben, sodass die Kompressorstufe (225) Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel (201) über den Sauerstoffeingang (205) zugeführt wird, oder die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel (201) mit Sauerstoff zu versorgen.Fuel cell operating device (2, 3, 4), which has: a fuel cell stack (201) with an oxygen inlet (205) and an oxygen outlet (211), an auxiliary compressed air source (261, 361, 461) which is set up to provide auxiliary compressed air, and a compressor (219) with: an electric motor (221), a compressor stage (225), and a turbine stage (233, 433), the compressor stage (225) being set up to be driven via the electric motor (221) or the turbine stage (233, 433). to become, wherein the auxiliary compressed air source is set up to drive the compressor stage (225) via the auxiliary compressed air, so that the compressor stage (225) generates compressed air which is supplied to the fuel cell stack (201) via the oxygen inlet (205), or the auxiliary compressed air supplies the fuel cell stack (201) with oxygen to supply. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2, 3, 4) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung so eingerichtet ist, dass die Hilfsdruckluft die Turbinenstufe (233, 433) antreibt.The fuel cell operating device (2, 3, 4) according to the preceding claim, wherein the fuel cell operating device is arranged such that the auxiliary compressed air drives the turbine stage (233, 433). Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2, 3, 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel (201) einen Ausgang für elektrische Energie aufweist, über den elektrische Energie ausgegeben wird, wenn der Brennstoffzellenstapel (201) in Betrieb ist und mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird, und die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung so eingerichtet ist, dass die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel (201) mit Sauerstoff versorgt, und der Elektromotor (221) mit der elektrischen Energie betrieben wird, die durch den Brennstoffzellenstapel (201) über den Ausgang für elektrische Energie ausgegeben wird.The fuel cell operating device (2, 3, 4) according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell stack (201) has an electrical energy output via which electrical energy is output when the fuel cell stack (201) is in operation and is supplied with hydrogen and oxygen, and the fuel cell operating device is set up so that the auxiliary compressed air supplies the fuel cell stack (201) with oxygen, and the electric motor (221) is operated with the electrical energy output by the fuel cell stack (201) via the electrical energy output. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine Restluft-Druckluftleitung (258), die zwischen dem Sauerstoffausgang (211) und einem Turbineneingang (235, 435) vorgesehen ist und eingerichtet ist, aus dem Brennstoffzellenstapel (201) strömende Restluft der Turbinenstufe (235) zuzuführen, wobei aus der Hilfsdruckluftquelle (261) Hilfsdruckluft der Restluft-Druckluftleitung an einer ersten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.The fuel cell operating device (2) according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell operating device further comprises: a residual air compressed air line (258), which is provided between the oxygen outlet (211) and a turbine inlet (235, 435) and is designed to supply residual air flowing from the fuel cell stack (201) to the turbine stage (235), from the auxiliary compressed air source (261 ) Auxiliary compressed air is supplied to the residual air compressed air line at a first auxiliary compressed air supply point. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hilfsdruckluftquelle als Hilfsdruckluftreservoir (261) ausgebildet ist, aus der Restluft-Druckluftleitung an einer ersten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle Restluft abgeführt und damit das Hilfsdruckluftreservoir (261) mit Hilfsdruckluft befüllt wird, und aus dem Hilfsdruckluftreservoir (261) Hilfsdruckluft der Restluft-Druckluftleitung an der ersten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.The fuel cell operating device (2) according to the preceding claim, wherein the auxiliary compressed air source is designed as an auxiliary compressed air reservoir (261), Residual air is discharged from the residual air compressed air line at a first auxiliary compressed air discharge point and so that the auxiliary compressed air reservoir (261) is filled with auxiliary compressed air, and Auxiliary compressed air is supplied from the auxiliary compressed air reservoir (261) to the residual air compressed air line at the first auxiliary compressed air supply point. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei zwischen dem Sauerstoffausgang (211) und der ersten Hilfsdruck-Ableitungsstelle ein Rückschlagventil (259) vorgesehen ist, das eingerichtet ist, zu verhindern, dass Luft über den Sauerstoffausgang (211) in die Brennstoffzellenstapel (201) einströmt, oder zwischen der ersten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle oder der ersten Hilfsdruckluft-Zuleitungsstelle und der Hilfsdruckluftquelle (261) ein Druckregelventil (263) vorgesehen ist.The fuel cell operating device (2) according to one of the Claims 4 or 5 , wherein a check valve (259) is provided between the oxygen outlet (211) and the first auxiliary pressure discharge point, which is designed to prevent air from flowing into the fuel cell stack (201) via the oxygen outlet (211), or between the first auxiliary compressed air -Discharge point or the first auxiliary compressed air supply point and the auxiliary compressed air source (261) a pressure control valve (263) is provided. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine Zuführungs-Druckluftleitung (358), die zwischen einem Kompressorausgang (231) und dem Sauerstoffzugang (205) vorgesehen ist und eingerichtet ist, aus der Kompressorstufe (225) strömende Druckluft dem Brennstoffzellenstapel (201) über den Sauerstoffeingang (205) zuzuführen, wobei aus der Hilfsdruckluftquelle (361) Hilfsdruckluft der Zuführungs-Druckluftleitung (358) an einer zweiten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.The fuel cell operating device (3) according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell operating device further comprises: a supply compressed air line (358), which is provided between a compressor outlet (231) and the oxygen access (205) and is set up to supply compressed air flowing from the compressor stage (225) to the fuel cell stack (201) via the oxygen inlet (205), whereby the auxiliary compressed air source (361) is supplied with auxiliary compressed air to the supply compressed air line (358) at a second auxiliary compressed air supply point. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (3) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hilfsdruckluftquelle als Hilfsdruckluftreservoir (361) ausgebildet ist, und aus der Zuführungs-Druckluftleitung (358) an einer zweiten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle Restluft abgeführt und damit das Hilfsdruckluftreservoir (361) mit Hilfsdruckluft befüllt wird, und aus dem Hilfsdruckluftreservoir (361) Hilfsdruckluft der Zuführungs-Druckluftleitung (358) an einer zweiten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.The fuel cell operating device (3) according to the preceding claim, wherein the auxiliary compressed air source is designed as an auxiliary compressed air reservoir (361), and Residual air is removed from the supply compressed air line (358) at a second auxiliary compressed air discharge point and the auxiliary compressed air reservoir (361) is filled with auxiliary compressed air, and Auxiliary compressed air is supplied from the auxiliary compressed air reservoir (361) to the supply compressed air line (358) at a second auxiliary compressed air supply point. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei zwischen dem Kompressorausgang (231) und der zweiten Hilfsdruck-Ableitungsstelle ein Rückschlagventil (359) vorgesehen ist, das eingerichtet ist, zu verhindern, dass Luft über den Kompressorausgang (231) in die Kompressorstufe (225) einströmt, oder zwischen der zweiten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle oder der zweiten Hilfsdruckluft-Zuleitungsstelle und dem Hilfsdruckluftreservoir (361) ein Druckregelventil (363) vorgesehen ist.The fuel cell operating device (2) according to one of the Claims 7 or 8th , wherein a check valve (359) is provided between the compressor outlet (231) and the second auxiliary pressure discharge point, which is designed to prevent air from flowing into the compressor stage (225) via the compressor outlet (231), or between the second auxiliary compressed air -Discharge point or the second auxiliary compressed air supply point and the auxiliary compressed air reservoir (361) a pressure control valve (363) is provided. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (4) ferner aufweist: eine zweite Turbinenstufe (433), wobei die Kompressorstufe (225) eingerichtet ist, über den Elektromotor (221), die Turbinenstufe (233) oder die zweite Turbinenstufe (433) angetrieben zu werden, und die Hilfsdruckluftquelle (461) mit einem zweiten Turbineneingang (435) verbunden ist und eingerichtet ist, beim Betriebsstart die Kompressorstufe (225) über die Hilfsdruckluft und die zweite Turbinenstufe (433) anzutreiben, sodass die Kompressorstufe (225) Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel (201) über den Sauerstoffeingang (205) zugeführt wird.The fuel cell operating device (4) according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell operating device (4) further comprises: a second turbine stage (433), wherein the compressor stage (225) is set up via the electric motor (221), the turbine stage (233) or the second turbine stage (433) to be driven, and the auxiliary compressed air source (461) is connected to a second turbine inlet (435) and is set up to activate the compressor stage (225) when starting operation. via the auxiliary compressed air and the second turbine stage (433), so that the compressor stage (225) generates compressed air, which is supplied to the fuel cell stack (201) via the oxygen inlet (205). Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen der Hilfsdruckluftquelle (461) und dem zweiten Turbineneingang (435) ein Druckregelventil (463) vorgesehen ist.The fuel cell operating device (2) according to the preceding claim, wherein a pressure control valve (463) is provided between the auxiliary compressed air source (461) and the second turbine inlet (435). Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hilfsdruckluftquelle (261, 361) als Hilfsdruckluftreservoir ausgebildet ist, das eingerichtet ist, durch den Kompressor (219) oder eine andere Druckluftquelle befüllt zu werden.The fuel cell operating device (2) according to one of the preceding claims, wherein the auxiliary compressed air source (261, 361) is designed as an auxiliary compressed air reservoir which is set up to be filled by the compressor (219) or another compressed air source. Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hilfsdruckluftquelle eingerichtet ist, beim Betriebsstart oder während des Betriebs zur Unterstützung des Kompressors die Kompressorstufe (225) über die Hilfsdruckluft anzutreiben, sodass die Kompressorstufe (225) Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel (201) über den Sauerstoffeingang (205) zugeführt wird, oder die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel (201) mit Sauerstoff versorgt.The fuel cell operating device (2) according to the preceding claim, wherein the auxiliary compressed air source is set up to drive the compressor stage (225) via the auxiliary compressed air at the start of operation or during operation to support the compressor, so that the compressor stage (225) generates compressed air which is supplied to the fuel cell stack (201 ) is supplied via the oxygen inlet (205), or the auxiliary compressed air supplies the fuel cell stack (201) with oxygen. Brennstoffzellenbetriebsverfahren für eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, das die Schritte aufweist: Vorsehen eines Hilfsdruckluftreservoirs, Zuführen von Hilfsdruckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir (261, 361, 461) an eine Turbinenstufe (233) eines Kompressors (219), Betreiben einer Kompressorstufe (225) des Kompressors (219) über die Turbinenstufe (233); Erzeugen von Druckluft durch die Kompressorstufe (225), Zuführen von Druckluft an einen Brennstoffzellenstapel (201), Generieren von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel (201).Fuel cell operating method for a fuel cell operating device, comprising the steps: Providing an auxiliary compressed air reservoir, Supplying auxiliary compressed air from the auxiliary compressed air reservoir (261, 361, 461) to a turbine stage (233) of a compressor (219), Operating a compressor stage (225) of the compressor (219) via the turbine stage (233); Generating compressed air through the compressor stage (225), Supplying compressed air to a fuel cell stack (201), Generating electrical energy through the fuel cell stack (201). Brennstoffzellenbetriebsverfahren für eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, das die Schritte aufweist: Vorsehen eines Hilfsdruckluftreservoirs, Zuführen von Hilfsdruckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir (261, 361, 461) an einen Brennstoffzellenstapel (201), Generieren von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel (201) Antreiben eines Elektromotors (221) eines Kompressors (219) mit durch den Brennstoffzellenstapel (201) erzeugter elektrischer Energie, Betreiben einer Kompressorstufe (225) des Kompressors (211) über den Elektromotor (219), Erzeugen von Druckluft durch die Kompressorstufe (225), Zuführen von Druckluft an einen Brennstoffzellenstapel (201).Fuel cell operating method for a fuel cell operating device, comprising the steps: Providing an auxiliary compressed air reservoir, Supplying auxiliary compressed air from the auxiliary compressed air reservoir (261, 361, 461) to a fuel cell stack (201), Generating electrical energy through the fuel cell stack (201) Driving an electric motor (221) of a compressor (219) with electrical energy generated by the fuel cell stack (201), Operating a compressor stage (225) of the compressor (211) via the electric motor (219), Generating compressed air through the compressor stage (225), Supplying compressed air to a fuel cell stack (201).
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