DE102022206248A1

DE102022206248A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens zwei Brennstoffzellenstacks und einem Luftkompressionssystem und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022206248A1
Application number: DE102022206248.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2023247359A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) folgende Komponenten aufweist:- mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel (101) und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (102) und- ein, insbesondere gemeinsames, Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den ersten Brennstoffzellenstapel (101) und an den zweiten Brennstoffzellenstapel (102) in Form einer Zuluft (L1, L2),wobei das Kathodensystem (10) folgende Komponenten aufweist:- eine Kompressionseinheit (KE) zum Verdichten der Zuluft (L1, L2),- einen ersten Kathodenpfad (11) zum Durchleiten einer ersten Zuluft (L1) durch den ersten Brennstoffzellenstapel (101) und- einen zweiten Kathodenpfad (12) zum Durchleiten einer zweiten Zuluft (L2) durch den zweiten Brennstoffzellenstapel (102),wobei die Ventile (CV11, CV12, CV21, CV22) in dem ersten Kathodenpfad (11) und in dem zweiten Kathodenpfad (12) zur Regelung von Massenströmen und/oder Druckniveaus in dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und in dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit und ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen. Die Umgebungsluft wird mittels eines Fördersystems bzw. Kompressionssystems dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Das Kompressionssystem ist dazu ausgeführt, einen bestimmten Luftmassenstrom und/oder ein bestimmtes Druckniveau bereitzustellen. Die Komprimierung bzw. Kompression der Luft findet häufig über eine thermische Strömungsmaschine (einstufig, mehrstufig oder mehrflutig) statt. Dabei kann optional zur Luftverdichtung eine Energie-Rückgewinnung der abströmenden feuchten Luft mittels einer Turbine realisiert werden (z.B. elektrisch angetriebener Turbolader oder Turbolader ohne E-Antrieb). Höhere Systemdrücke (z.B. um hochleistungsfähige Brennstoffzellensysteme zu ermöglichen) können durch eine zweistufige Verdichtung und eine Energierekuperation mittels einer Turbine realisiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches, gemäß dem dritten Aspekt eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und gemäß dem vierten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor. Weitere Merkmale, Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Bren nstoffzel lensystems,
wobei das Brennstoffzellensystem folgende Komponenten aufweist:

- mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen zweiten Brennstoffzellenstapel und
- ein, insbesondere gemeinsames, Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den ersten Brennstoffzellenstapel und an den zweiten Brennstoffzellenstapel in Form einer Zuluft,

- eine Kompressionseinheit zum Verdichten der Zuluft,
- einen ersten Kathodenpfad zum Durchleiten einer ersten Zuluft durch den ersten Brennstoffzellenstapel und
- einen zweiten Kathodenpfad zum Durchleiten einer zweiten Zuluft durch den zweiten Brennstoffzellenstapel,

Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann mindestens zwei oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks oder kurz ausgedruckt Stacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise eine Steuereinheit aufweisen, die zum Regeln des Kathodensystems, insbesondere zum Regeln der Kompressionseinheit und vorzugsweise zum Regeln der Ventile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt ist.
Das Kathodensystem im Rahmen der Erfindung kann ebenfalls als ein Luftsystem bezeichnet werden.
Die Kompressionseinheit im Rahmen der Erfindung kann ebenfalls als ein Luftkompressionssystem bezeichnet werden. Die Kompressionseinheit im Rahmen der Erfindung kann mindestens einen Verdichter aufweisen, wobei insbesondere der mindestens eine Verdichter elektromotorisch, bspw. mithilfe eines Elektromotors, und/oder mechanisch, vorzugsweise mithilfe einer Turbine bzw. eines Turboladers, angetrieben sein kann. Mindestens ein Verdichter kann weiterhin einstufig, zweistufig oder zweiflutig ausgeführt sein. Ferner kann die Kompressionseinheit mindestens eine Turbine aufweisen, um mindestens einen Verdichter zu unterstützen.
Die Ventile im Rahmen der Erfindung können vorzugsweise als dichtschließende und regelbare Drosselklappen ausgeführt sein.
Die erfindungsgemäße Idee liegt darin, zwei Stacks mit einer gemeinsamen Kompressionseinheit bzw. mit einem gemeinsamen Luftkompressionssystem mit einer jeweils erforderlichen Zuluft zu versorgen. Auf diese Weise wird ein topologischer Aufwand bei dem Auslegen des Brennstoffzellensystems erheblich reduziert. Insbesondere kann dadurch mindestens eine Kompressionseinheit eingespart werden, d.h. dass mindestens ein Verdichter und ggf. eine Turbine eingespart werden können.
Vorteilhafterweise werden bei dem Verfahren und bei dem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung die Ventile an den Stacks mit erweiterten Funktionen bereitgestellt:

- zur Absperrung/Abdichtung des jeweiligen Kathodenpfades nach außen, und zusätzlich
- zur Regelung der Massenströme und Druckniveaus in den jeweiligen Stacks, d. h. insbesondere:
- - zur Aufteilung der Massenströme zwischen den Stacks,
- - zur Einstellung der Druckniveaus, gesamt und innerhalb eines Stack-Pfades, und
- - zur Synchronisation des Turbineneintrittsdruckes (bspw. bei gemeinsamer Turbine).

Weiterhin können die Ventile an den Stacks mit erweiterten Funktionen bereitgestellt werden:

- Betriebsstrategieumschaltung in der Kathodensystem-Regelung,
- Anpassung von Limitierungen und/oder Ein/Ausschalten der übergeordneten Druck-Abstimmung.

Das Verfahren im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise mehrere unterschiedliche, insbesondere übergeordnete und/oder untergeordnete, Freiheitsgrade, vorzugsweise auf unterschiedlichen Systemebenen, zur Abstimmung der Druckniveaus berücksichtigen:

- im Wassermanagement und Thermomanagement (Ziel Nr. 3),
- im Powersplit/Leistungsverzweigung zwischen den Stacks (Ziel Nr. 2),
- in Leistungsverzweigung zwischen einem Energiespeicher, bspw. einer Hochvoltbatterie, wie z. B. einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, und dem Brennstoffzellensystem (Ziel Nr. 1).

Mithilfe der Erfindung können mehrere wesentliche Vorteile erreicht werden:

- Einsparung von einem separaten Luftkompressionssystem,
- Einsparung von einem, bspw. elektromotorisch angetriebenen, Verdichter, und ggf.
- Einsparung von einem Turbolader,
- Deutliche Kostenreduktion bei der Systemauslegung,
- Weniger Verkabelung,
- Weniger Sensorik, usw.

Sollgrößen für die Regelung/Steuerung des Kathodensystems können Druck, Massenstrom und/oder Luftverhältnis (bzw. Lambda; kurz auch λ, Luftverhältnis oder Luftzahl genannt, überstöchiometrisch ausgedruckt mAirStack = lambda * mAirStoechiometrisch) umfassen.
Die Kompressionseinheit kann einen Druck pSupply aufbauen. Die Druckanforderung kann dabei beide Druckanforderungen aus den mindestens zwei Stacks berücksichtigen: $\begin{array}{l} pSupply = max (pStack 1 ln, pStack 2 ln) + dpVerluste (Rohrlei tungen,Einbauten, \\ etc .) . \end{array}$
Ferner kann die Kompressionseinheit einen Massenstrom für beide Stacks aufbauen, ggf. auch noch Anforderungen aus der Notwendigkeit, Wasserstoff aus dem Purge/Drain-Pfad des Anodensystems zu verdünnen: $mAirStack = mAirStack 1 + mAirStack 2;$

mAirSupply = max(mAirStack, mExhaustDilution).
Die stöchiometrischen Soll-Massenströme für die Stacks können aus der Leistungsanforderungen abgeleitet werden (Reaktionsgleichung, Faraday-Gesetz).
Die Sollgrößen für Druck und Lambda können aus den Wassermanagementsystemen des jeweiligen Stacks abgeleitet werden (jeder Stack kann sein eigenes Wassermanagementsystem aufweisen). Wassermanagementsysteme dienen dazu, um sicherzustellen, dass einerseits die Membran des jeweiligen Stacks immer ausreichend feucht gehalten wird (bzw. nicht austrocknet) und dass andererseits es im Stack zu keiner Flutung bzw. Ansammlung von flüssigem Wasser kommt und dass ausreichend Sauerstoffpartialdruck für die Reaktion zur Verfügung steht.
Bei den Sollgrößen für Druck und Lambda können weiterhin vorliegende Temperaturen (Stack und/oder Kühlmittel) berücksichtigt werden.
Die Sollgrößen für Druck und Lambda können einen Freiheitsgrad bei der Berechnung der Vorgaben bereitstellen, wie z. B.:

Ein Stack mit höherem Druck benötigt ein kleineres Lambda.
Ein Stack mit niedrigerem Druck benötigt ein größeres Lambda.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das Wassermanagementsystem für die Ermittlung der Sollwerte für Druck und Lambda den Freiheitsgrad zwischen Druck und Lambda nutzt, um ein möglichst ähnliches Druckniveau bei den Stackes einzustellen. Ein ähnliches Druckniveau in den Stackes führt insgesamt zu energetischen Vorteilen, weil für die verdichtete Luft für den Stack mit dem niedrigeren Betriebsdruck eine nicht so starke Drosselung (Energievernichtung) erforderlich ist und weil die Turbine die vereinigten Abgasmassenströme auf entsprechenden abgestimmten und optimierten Druckniveau nutzen kann.
Ein weiterer Freiheitsgrad für die Ermittlung der Sollwerte für den Druck und Lambda kann durch Einstellung der Temperatur mittels eines gemeinsamen Kühlsystemens oder separaten oder gekoppelten Kühlsysteme und Thermomanagement bereitgestellt werden.
Der Druck in den Stacks kann mithilfe von Ventilen, bspw. in Form von Absperrventilen, die eine Regelfunktion beinhalten, eingestellt werden. Der Druck im System und/oder in den Stacks kann außerdem mithilfe von Turbine und Turbinen-Bypass beeinflusst werden.
Der Gesamt-Massenstrom mAirSupply kann mittels der Stellung der Aktoren, die die Strömungswiderstände der einzelnen Pfade beeinflussen können, zwischen den drei Strömungspfaden aufgeteilt werden:

- Kathodenpfad 11: Strömungswiderstände CV11, Stack1, CV12, Rohrleitungen, Einbauten, etc.,
- Kathodenpfad 12: Strömungswiderstände CV21, Stack2, CV22, Rohrleitungen, Einbauten, etc.,
- Bypassleitung: Strömungswiderstände ByCath, Rohrleitungen Bypass, Einbauten Bypass, etc..

Für die einzelnen Pfade 1,2, ByCath kann vorteilhafterweise berücksichtigt werden, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck am Eingang in die Stacks und dem Druck an der Turbine annähernd gleich ist.
Die Bypassleitung kann im Normalbetrieb aus energetischen Gründen geschlossen (insbesondere dicht geschlossen) werden. Die Bypassleitung wird in verschiedenen Betriebssituationen benötigt und dazu geöffnet und/oder geregelt betrieben, z. B. beim Erreichen einer Pumpgrenze, wenn eine Verdünnungsanforderung für den Wasserstoff aus Purge/Drain-Vorgängen vorliegt, die höher ist als mAirStack, wenn beide Stacks abgeschaltet sind und die Kompressionseinheit weiterbetrieben werden soll, z.B. Start-Stopp-Betrieb, Leerlaufbetrieb o. Ä.
Ferner können bei der Regelung von Massenströmen und/oder Druckniveaus in dem ersten Brennstoffzellenstapel und in dem zweiten Brennstoffzellenstapel mithilfe der Ventile verschiedene, insbesondere übergeordnete und/oder untergeordnete, Freiheitsgrade, vorzugsweise auf unterschiedlichen Systemebenen, berücksichtigt werden. Dies kann vorteilhaft sein, um die Druckspreizung zu minimieren.
Weiterhin können die, insbesondere übergeordneten und/oder untergeordneten Freiheitsgrade, vorzugsweise auf unterschiedlichen Systemebenen, folgende Freiheitsgrade/Ebenen aufweisen:

Top1Ctl Leistungsverzweigung zwischen einem Energiespeicher und dem Brennstoffzellensystem als Ganzes,
Top2Ctl Leistungsverzweigung zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel, und
Top3Ctl interne Anforderungen, insbesondere von einem Wassermanagement, einem Thermomanagement, usw., innerhalb des ersten Brennstoffzellenstapels und/oder innerhalb des zweiten Brennstoffzellenstapels.

Die Nutzung des Freiheitsgrades Top1Ctl kann Folgendes umfassen. Von der Gesamtsteuerung eines korrespondierenden Verbrauchers, bspw. vom Antriebsstrang eines Fahrzeuges (Powertrain/Drivetrain) wird eine Anforderung für die elektrische Gesamtleistung ermittelt (zur Umsetzung der Fahrtrajektorie und ggf. zur Versorgung weiterer Verbraucher im Fahrzeug). Diese elektrische Leistung kann entweder von einem (oder mehreren) Energiespeicher(n) (meist Hochvolt-Batterie, Supercaps o. Ä.) und/oder von dem ersten Stack und/oder von dem zweiten Stack geliefert werden. Die Aufteilung der Leistung kann abhängig von den Betriebsbedingungen und/oder der Höhe der Leistungsanforderung erfolgen. Die Energiespeicher werden meist/vorzugsweise zum Boosten bei Beschleunigungen und/oder zur Energierekuperation eingesetzt. Die Stacks können in anderen Fällen benutzt werden, bspw. in Normalbetrieb. Der Freiheitsgrad der Leistungsaufteilung von Top1Ctl kann so genutzt werden, dass eine Drucksynchronisation unterstützt oder erreicht wird, bzw. dass die Druckspreizung möglichst klein wird.
Die Nutzung des Freiheitsgrades Top2Ctl kann Folgendes umfassen. Die angeforderte Gesamtleistung an das System wird auf die einzelnen Stacks aufgeteilt. Die Leistungsaufteilung kann dazu genutzt werden, um vorzugsweise ähnliche Drücke in den Stacks einzustellen (drucksynchronisierte Aufteilung). Wenn dies nicht möglich ist, dann kann die Leistungsaufteilung dazu genutzt werden, um unterschiedliche Drücke in den Stacks einzustellen (nicht drucksynchronisierte Aufteilung). Die Aufteilung kann somit vorzugsweise drucksynchronisiert (bzw. symmetrisch) oder auch nicht drucksynchronisiert (bzw. asymmetrisch) erfolgen.
Die Nutzung des Freiheitsgrades Top3Ctl kann Folgendes umfassen. Die Ziele des jeweiligen Wassermanagementsystems, bspw. kombiniert mit den Zielen einer Kühlsystemsteuerung bzw. eines Thermomanagements, für die Stacks können berücksichtigt werden. Dabei können Freiheitsgrade zwischen Druck und Lambda im Stack, bspw. kombiniert mit dem Freiheitsgrad für die Temperatur des Stacks, die durch ein gemeinsames oder mehrere (gekoppelt oder separate) Kühlsysteme bereitgestellt wird, berücksichtigt werden.
Die Drucksynchronisation bzw. die Abstimmung der Druckniveaus kann ferner bei der Trajektorien-Planung und/oder bei den Vorsteuerungen eingesetzt werden. Eine prädiktive Optimierung kann vorteilhaft sein, um sowohl alle Anforderungen (Leistungsanforderungen, die Stack-Anforderungen, etc.) als auch vorteilhafterweise eine Drucksynchronisation oder zumindest eine Annäherung zu erreichen. Diese kann innerhalb einer Ebene erfolgen, kaskadiert oder sogar gekoppelt über alle Ebenen erfolgen. Das Verfahren kann sowohl mit Signalen von Sensoren als auch mit Modellwerten arbeiten.
Im Falle, wenn keine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel und von dem zweiten Brennstoffzellenstapel gefordert wird, kann im Rahmen des Verfahrens vorgesehen sein, dass alle Ventile, insbesondere dichtschließend, geschlossen werden.
Im Falle, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel gefordert wird, und wenn keine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel gefordert wird, kann das Ventil stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels geöffnet werden, das Ventil stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels kann geregelt werden, und das Ventil stromaufwärts und das Ventil stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels können geschlossen werden.
Im Falle, wenn keine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel gefordert wird, und wenn eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel gefordert wird, können das Ventil stromaufwärts und das Ventil stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels geschlossen werden, und das Ventil stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels kann geöffnet werden, und das Ventil stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels kann geregelt werden.
Im Falle, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel und eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel gefordert werden, kann das Ventil stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels geöffnet oder geregelt werden, das Ventil stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels kann geregelt werden, das Ventil stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels kann geöffnet oder geregelt werden, und das Ventil stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels kann geregelt werden.
Im Falle, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel und eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel gefordert werden, und insbesondere wenn ein drucksynchronisierter Betrieb vom dem ersten Brennstoffzellenstapel und von dem zweiten Brennstoffzellenstapel möglich ist, kann das Ventil stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels einfach geöffnet werden, das Ventil stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels kann geregelt werden, das Ventil stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels kann geöffnet werden, und das Ventil stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels kann geregelt werden.
Ferner stellt die Erfindung bereit: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Weiterhin stellt die Erfindung bereit: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Des Weiteren stellt die Erfindung bereit: ein Brennstoffzellensystem, aufweisend:

- einen ersten Brennstoffzellenstapel und
- mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel sowie
- ein gemeinsames Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den ersten Brennstoffzellenstapel und an den zweiten Brennstoffzellenstapel in Form einer Zuluft,

Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgeführt ist, um ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung möglicher Verdichter,
3 eine schematische Darstellung einer Ventil-Ansteuerung, und
4 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Freiheitsgrade bei einer Ventil-Ansteuerung.

Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung weist folgende Elemente auf:

- einen ersten Brennstoffzellenstapel 101 und
- mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel 102 sowie
- ein gemeinsames Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den ersten Brennstoffzellenstapel 101 und an den zweiten Brennstoffzellenstapel 102 in Form einer Zuluft L1, L2,

- eine Kompressionseinheit KE zum Verdichten der Zuluft L1, L2,
- einen ersten Kathodenpfad 11 zum Durchleiten einer ersten Zuluft L1 durch den ersten Brennstoffzellenstapel 101 und
- einen zweiten Kathodenpfad 12 zum Durchleiten einer zweiten Zuluft L2 durch den zweiten Brennstoffzellenstapel 102,

Die Ventile CV11, CV12, CV21, CV22 können vorzugsweise als dichtschließende und regelbare Drosselklappen bzw. Ventile ausgeführt sein.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen. Wie es die 1 andeutet, kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 mindestens zwei oder mehrere Brennstoffzellenstapel 101, 102 aufweisen.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst somit ein gemeinsames Kathodensystem 10 für mindestens zwei oder mehrere Brennstoffzellenstapel 101, 102. Am Eingang in das Kathodensystem 10 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern. Nach dem Durchlauf der Stacks 101, 102 wird eine Abluft aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen.
Zwischen einer gemeinsamen Zuluftleitung 10.1 und einer gemeinsamen Abluftleitung 10.2 im Kathodensystem 10 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein.
Die Kompressionseinheit KE im Kathodensystem 10 dient dazu, die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und zu verdichten und in Form einer korrespondierenden Zuluft L1, L2 an den jeweiligen Stack 101, 102 bereitzustellen.
Die Kompressionseinheit KE kann mindestens einen mechanisch, bspw. mithilfe einer Turbine T, und/oder elektromotorisch, bspw. mithilfe eines E-Motors, betriebenen Verdichter V1 aufweisen.
Zudem kann die Kompressionseinheit KE mindestens eine Turbine T aufweisen, die in einer Wirkverbindung mit mindestens einem Verdichter V1 angeordnet sein kann, um den mindestens einen Verdichter V1 beim Verdichten der Zuluft L1, L2 zu unterstützen.
Wie es die 1 andeutet, kann die Kompressionseinheit KE mindestens einen elektromotorisch, bspw. mithilfe eines E-Motors, betriebenen Verdichter V2 aufweisen.
Wie es die 2 weiterhin andeutet, kann mindestens ein Verdichter V2 einstufig (links in der 2), zweiflutig (mittig in der 2) oder zweistufig (rechts in der 2) ausgeführt sein kann.
Wie es die 1 des Weiteren andeutet, können/kann in dem Kathodensystem 10 mindestens ein Zuluftkühler IC, ein Wärmetauscher HE und/oder ein optionaler Befeuchter HM vorgesehen sein.
Die Erfindung schlägt vor: zwei Brennstoffzellenstapel 101, 102 mithilfe einer gemeinsamen Kompressionseinheit KE mit einer jeweils erforderlichen Zuluft L1, L2 zu versorgen. Somit kann ein topologischer Aufwand bei dem Auslegen des Brennstoffzellensystems 100 erheblich reduziert werden. Insbesondere kann dadurch mindestens eine zweite Kompressionseinheit KE eingespart werden, d.h. dass mindestens ein Verdichter und ggf. eine Turbine eingespart werden können.
Im Rahmen der Erfindung werden die Ventile CV11, CV12, CV21, CV22 mit erweiterten Funktionen bereitgestellt:

- zur Absperrung/Abdichtung des jeweiligen Kathodenpfades 11, 12 nach außen, und zusätzlich
- zur Regelung der Massenströme mAirStack, mAirStack1, mAirStack2 und der Drücke pSupply, pStack1, pStack in dem jeweiligen Stack 101, 102, d. h. insbesondere:
- - zur Aufteilung der Massenströme mAirStack1, mAirStack2 zwischen den Stacks 101, 102,
- - zur Einstellung der Drücke, Druck pSupply und Druck pStack1, pStack2 innerhalb eines jeweiligen Kathodenpfades 11, 12, und
- - zur Synchronisation des Turbineneintrittsdruckes pTurbin (insbesondere bei einer gemeinsamen Turbine T).

Weiterhin können die Ventile CV11, CV12, CV21, CV22 mit erweiterten Funktionen bereitgestellt werden:

- Betriebsstrategieumschaltung in der Kathodensystem-Regelung (vgl. 3),
- Anpassung von Limitierungen und/oder Ein/Ausschalten der übergeordneten Druck-Abstimmung (vgl. 3 und 4).

Wie es die 4 zeigt, können im Rahmen der Erfindung mehrere unterschiedlichen, insbesondere übergeordneten und/oder untergeordneten, Freiheitsgrade, vorzugsweise auf unterschiedlichen Systemebenen, zur Abstimmung der Druckniveaus berücksichtigt werden:

Top3Ctl im Wassermanagement (pStack vs. Lambda λ) und Thermomanagement (Temperatur T),
Top2Ctl im Powersplit/Leistungsverzweigung zwischen den Stacks (PelStack1, PelStack2),
ToplCtl in Leistungsverzweigung zwischen einem Energiespeicher, bspw. einer Hochvoltbatterie, wie z. B. einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, und dem Brennstoffzellensystem 100.

Sollgrößen für die Regelung/Steuerung des Kathodensystems 10 können Druck p, Massenstrom m und/oder Luftverhältnis (bzw. Lambda; kurz auch λ, Luftverhältnis oder Luftzahl genannt, überstöchiometrisch ausgedruckt mAirStack = lambda * mAirStoechiometrisch) umfassen.
Die Kompressionseinheit KE kann einen Druck pSupply aufbauen. Die Druckanforderung kann dabei beide Druckanforderungen aus den mindestens zwei Stacks berücksichtigen: $\begin{array}{l} pSupply = max (pStack 1 ln,pStack2ln) + dpVerluste (Rohrleitun gen, Einbauten, \\ etc .) . \end{array}$
Ferner kann die Kompressionseinheit KE einen Massenstrom mAirSupply für beide Stacks 101, 102 aufbauen, ggf. auch noch Anforderungen aus der Notwendigkeit, Wasserstoff aus dem Purge/Drain-Pfad aus einem Anodensystem 20 zu verdünnen: $mAirStack = mAirStack 1 + mAirStack 2;$
$mAirSupply = max (mAirStack,mExhaustDilution) .$
Die stöchiometrischen Soll-Massenströme mAirStack1+ mAirStack2 für die Stacks 101, 102 können aus der Leistungsanforderungen abgeleitet werden (Reaktionsgleichung, Faraday-Gesetz).
Die Sollgrößen für Druck pStack1, pStack2 und Lambda λ1, λ2 für die Stacks 101, 102 können aus den Wassermanagementsystemen des jeweiligen Stacks 101, 102 abgeleitet werden. Jeder Stack 101, 102 kann sein eigenes Wassermanagementsystem aufweisen, um sicherzustellen, dass einerseits die Membran des jeweiligen Stacks 101, 102 immer ausreichend feucht gehalten wird (bzw. nicht austrocknet) und dass andererseits es im Stack 101, 102 zu keiner Flutung bzw. Ansammlung von flüssigem Wasser kommt und dass ausreichend Sauerstoffpartialdruck für die Reaktion zur Verfügung steht.
Bei den Sollgrößen für Druck und Lambda können weiterhin vorliegende Temperaturen Stack und/oder Kühlmittel berücksichtigt werden.
Die Sollgrößen für pStack1, pStack2 und Lambda λ1, λ2 für die Stacks 101, 102 können einen Freiheitsgrad bei der Berechnung der Vorgaben bereitstellen, wie z. B.:

Ein Stack mit höherem Druck pStack benötigt ein kleineres Lambda λ.
Ein Stack mit niedrigerem Druck pStack benötigt ein größeres Lambda λ.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das Wassermanagementsystem für die Ermittlung der Sollwerte für Druck pStack und Lambda λ den Freiheitsgrad zwischen Druck pStack und Lambda λ nutzt, um ein möglichst ähnliches Druckniveau bei den Stackes 101, 102 einzustellen (gemeint ist die Drucksynchronisierung). Ein ähnliches Druckniveau in den Stackes 101, 102 führt insgesamt zu energetischen Vorteilen, weil für die verdichtete Luft für die Stacks mit dem niedrigeren Betriebsdruck eine nicht so starke Drosselung (Energievernichtung) erforderlich ist und weil die Turbine die vereinigten Abgasmassenströme auf entsprechenden abgestimmten und optimierten Druckniveau nutzen kann.
Ein weiterer Freiheitsgrad für die Ermittlung der Sollwerte für den Druck pStack und Lambda λ kann durch Einstellung der Temperatur T mittels eines gemeinsamen Kühlsystemens oder separaten oder gekoppelten Kühlsysteme und Thermomanagement bereitgestellt werden.
Der Druck pStack1, pStack2 in den Stacks 101, 102 kann mithilfe von Ventilen CV11, CV12, CV21, CV22, bspw. in Form von Absperrventilen, die eine Regelfunktion beinhalten, eingestellt werden. Der Druck pSupply im System 100 und/oder in den Stacks 101, 102 kann außerdem mithilfe von Turbine und Turbinen-Bypass beeinflusst werden.
Der Gesamt-Massenstrom mAirSupply kann mittels der Stellung der Aktoren, die die Strömungswiderstände der einzelnen Pfade beeinflussen können, zwischen den drei Strömungspfaden aufgeteilt werden:

Für die einzelnen Pfade 1,2, ByCath kann vorteilhafterweise berücksichtigt werden, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck pStack1, pStack2 am Eingang in die Stacks 101, 102 und dem Druck pTurbin an der Turbine T annähernd gleich ist.
Die Bypassleitung 13 kann im Normalbetrieb aus energetischen Gründen geschlossen (insbesondere dicht geschlossen) werden. Die Bypassleitung 13 wird in verschiedenen Betriebssituationen benötigt und dazu geöffnet und/oder geregelt betrieben, z. B. beim Erreichen einer Pumpgrenze, wenn eine Verdünnungsanforderung für den Wasserstoff aus Purge/Drain-Vorgängen vorliegt, die höher ist als mAirStack, wenn beide Stacks 101, 102 abgeschaltet sind und die Kompressionseinheit KE weiterbetrieben werden soll, z.B. Start-Stopp-Betrieb, Leerlaufbetrieb o. Ä.
Die Nutzung des Freiheitsgrades ToplCtl kann Folgendes umfassen. Von der Gesamtsteuerung eines korrespondierenden Verbrauchers, bspw. vom Antriebsstrang eines Fahrzeuges (Powertrain/Drivetrain) wird eine Anforderung für die elektrische Gesamtleistung ermittelt (zur Umsetzung der Fahrtrajektorie und ggf. zur Versorgung weiterer Verbraucher im Fahrzeug). Diese elektrische Leistung kann entweder von einem (oder mehreren) Energiespeicher(n) (meist Hochvolt-Batterie, Supercaps o. Ä.) und/oder von dem ersten Stack und/oder von dem zweiten Stack geliefert werden. Die Aufteilung der Leistung kann abhängig von den Betriebsbedingungen und/oder der Höhe der Leistungsanforderung erfolgen. Die Energiespeicher werden meist/vorzugsweise zum Boosten bei Beschleunigungen und/oder zur Energierekuperation eingesetzt. Die Stacks können in anderen Fällen benutzt werden, bspw. in Normalbetrieb. Der Freiheitsgrad der Leistungsaufteilung von Top1Ctl kann so genutzt werden dass eine Drucksynchronisation unterstützt oder erreicht wird bzw. dass die Druckspreizung möglichst klein wird.
Die Nutzung des Freiheitsgrades Top2Ctl kann Folgendes umfassen. Die angeforderte Gesamtleistung an das System 100 wird auf die einzelnen Stacks 101, 102 aufgeteilt. Wie es die 3 andeutet, kann die Aufteilung vorzugsweise drucksynchronisiert oder auch nicht drucksynchronisiert erfolgen.
Die Nutzung des Freiheitsgrades Top3Ctl kann Folgendes umfassen. Die Ziele des jeweiligen Wassermanagementsystems, bspw. kombiniert mit den Zielen einer Kühlsystemsteuerung bzw. eines Thermomanagements, für die Stacks 101, 102 können berücksichtigt werden. Dabei können Freiheitsgrade zwischen Druck pStack und Lambda λ im Stack, bspw. kombiniert mit dem Freiheitsgrad für die Temperatur T des Stacks, die durch ein gemeinsames oder mehrere (gekoppelt oder separate) Kühlsysteme bereitgestellt wird, berücksichtigt werden.
Die Abstimmung der Druckniveaus kann ferner bei der Trajektorien-Planung und/oder bei den Vorsteuerungen eingesetzt werden. Eine prädiktive Optimierung kann vorteilhaft sein, um sowohl alle Anforderungen (Leistungsanforderungen, unterschiedliche Stack-Anforderungen, etc.) als auch vorteilhafterweise eine Drucksynchronisation oder zumindest eine Annäherung zu erreichen.
Wie es die 4 andeutet, kann die Abstimmung der Druckniveaus innerhalb einer Ebene erfolgen, kaskadiert oder sogar gekoppelt über alle Ebenen Top1Ctl, Top2Ctl, Top3Ctl erfolgen.
Wie es die 3 verdeutlicht, kann im Falle F1, wenn keine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 und von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 102 gefordert wird, vorgesehen sein, dass alle Ventile CV11, CV12, CV21, CV22, insbesondere dichtschließend, geschlossen werden.
Wie es die 3 ferner verdeutlicht, kann im Falle F2, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 gefordert wird, und wenn keine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 102 gefordert wird, das Ventil CV11 stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 geöffnet werden und das Ventil CV12 stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 geregelt werden. Dabei können das Ventil CV21 stromaufwärts und das Ventil CV22 stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 geschlossen werden.
Wie es die 3 weiterhin verdeutlicht, können im Falle F3, wenn keine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 gefordert wird, und wenn eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 102 gefordert wird, das Ventil CV11 stromaufwärts und das Ventil CV12 stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 geschlossen werden. Dabei kann das Ventil CV21 stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 geöffnet werden und das Ventil CV22 stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 kann geregelt werden.
Wie es die 3 des Weiteren verdeutlicht, kann im Falle F5, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 und eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 102 gefordert werden, das Ventil CV11 stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 geöffnet oder geregelt werden, das Ventil CV12 stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 kann geregelt werden, das Ventil CV21 stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 kann geöffnet oder geregelt werden, und das Ventil CV22 stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 kann geregelt werden.
Wie es die 3 noch weiter verdeutlicht, kann im Falle F4, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 und eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 102 gefordert werden, und insbesondere wenn ein drucksynchronisierter Betrieb (pStack1 ≈ pStack2) vom dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 und von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 102 möglich ist, das Ventil CV11 stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 einfach geöffnet (opt. geregelt) werden, das Ventil CV12 stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels 101 kann geregelt werden, das Ventil CV21 stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 kann geöffnet (opt. geregelt) werden, und das Ventil CV22 stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels 102 kann geregelt werden.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) folgende Komponenten aufweist: - mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel (101) und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (102) und - ein, insbesondere gemeinsames, Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den ersten Brennstoffzellenstapel (101) und an den zweiten Brennstoffzellenstapel (102) in Form einer Zuluft (L1, L2), wobei das Kathodensystem (10) folgende Komponenten aufweist: - eine Kompressionseinheit (KE) zum Verdichten der Zuluft (L1, L2), - einen ersten Kathodenpfad (11) zum Durchleiten einer ersten Zuluft (L1) durch den ersten Brennstoffzellenstapel (101) und - einen zweiten Kathodenpfad (12) zum Durchleiten einer zweiten Zuluft (L2) durch den zweiten Brennstoffzellenstapel (102), wobei in dem ersten Kathodenpfad (11) ein Ventil (CV11) stromaufwärts und ein Ventil (CV12) stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) vorgesehen sind, wobei in dem zweiten Kathodenpfad (12) ein Ventil (CV21) stromaufwärts und ein Ventil (CV22) stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) vorgesehen sind, und wobei die Ventile (CV11, CV12, CV21, CV22) zur Regelung von Massenströmen (mAirStack1, mAirStack2) und/oder Drücke (pStack1, pStack2) in dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und in dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung von Massenströmen und/oder Druckniveaus in dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und in dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) mithilfe der Ventile (CV11, CV12, CV21, CV22) verschiedene, insbesondere übergeordnete und/oder untergeordnete, Freiheitsgrade (Top1Ctl, Top2Ctl, Top3Ctl), vorzugsweise auf unterschiedlichen Systemebenen (1, 2, 3), berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere übergeordneten und/oder untergeordneten Freiheitsgrade (ToplCtl, Top2Ctl, Top3Ctl), vorzugsweise auf unterschiedlichen Systemebenen (1, 2, 3), folgende Ebenen aufweisen: - Leistungsverzweigung zwischen einem Energiespeicher und dem Brennstoffzellensystem (100) als Ganzes, - Leistungsverzweigung zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102), und - interne Anforderungen, insbesondere von einem Wassermanagement, einem Thermomanagement, usw., innerhalb des ersten Brennstoffzellenstapels (101) und/oder innerhalb des zweiten Brennstoffzellenstapels (102).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn keine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und von dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) gefordert wird, alle Ventile (CV11, CV12, CV21, CV22), insbesondere dichtschließend, geschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) gefordert wird, und wenn keine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) gefordert wird, das Ventil (CV11) stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geöffnet wird, das Ventil (CV12) stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geregelt wird, und das Ventil (CV21) stromaufwärts und das Ventil (CV22) stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn keine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) gefordert wird, und wenn eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) gefordert wird, das Ventil (CV11) stromaufwärts und das Ventil (CV12) stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geschlossen werden, das Ventil (CV21) stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geöffnet wird, und das Ventil (CV22) stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) gefordert werden, das Ventil (CV11) stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geöffnet oder geregelt wird, das Ventil (CV12) stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geregelt wird, das Ventil (CV21) stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geöffnet oder geregelt wird, und das Ventil (CV22) stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine elektrische Leistung vom dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und eine elektrische Leistung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) gefordert werden, insbesondere wenn ein drucksynchronisierter Betrieb vom dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und von dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) möglich ist, das Ventil (CV11) stromaufwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geöffnet wird, das Ventil (CV12) stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) geregelt wird, das Ventil (CV21) stromaufwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geöffnet wird, und das Ventil (CV22) stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) geregelt wird.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Steuereinheit (200), aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: - einen ersten Brennstoffzellenstapel (101) und - mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (102) sowie - ein gemeinsames Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den ersten Brennstoffzellenstapel (101) und an den zweiten Brennstoffzellenstapel (102) in Form einer Zuluft (L1, L2), wobei das Kathodensystem (10) folgende Komponenten aufweist: - eine Kompressionseinheit (KE) zum Verdichten der Zuluft (L1, L2), - einen ersten Kathodenpfad (11) zum Durchleiten einer ersten Zuluft (L1) durch den ersten Brennstoffzellenstapel (101) und - einen zweiten Kathodenpfad (12) zum Durchleiten einer zweiten Zuluft (L2) durch den zweiten Brennstoffzellenstapel (102), wobei in dem ersten Kathodenpfad (11) ein Ventil (CV11) stromaufwärts und ein Ventil (CV12) stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels (101) vorgesehen sind, wobei in dem zweiten Kathodenpfad (12) ein Ventil (CV21) stromaufwärts und ein Ventil (CV22) stromabwärts des zweiten Brennstoffzellenstapels (102) vorgesehen sind, und wobei die Ventile (CV11, CV12, CV21, CV22) zur Regelung von Massenströmen und/oder Druckniveaus in dem ersten Brennstoffzellenstapel (101) und in dem zweiten Brennstoffzellenstapel (102) ausgeführt sind.
Brennstoffzellensystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (200) nach Anspruch 10 vorgesehen ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, und/oder dass die Kompressionseinheit (KE) mindestens einen Verdichter (V1, V2) aufweist, wobei insbesondere mindestens ein Verdichter (V1) elektromotorisch und/oder mechanisch, bspw. mithilfe einer Turbine (T), angetrieben ist, wobei vorzugsweise mindestens ein Verdichter (V2) elektromotorisch angetrieben ist, wobei bevorzugt mindestens ein Verdichter (V2) einstufig, zweistufig oder zweiflutig ausgeführt ist, und/oder dass die Kompressionseinheit (KE) mindestens eine Turbine (T) aufweist, um mindestens einen Verdichter (V) zu unterstützen.