DE10216953A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft

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Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft. Die Vorrichtung umfasst eine zuluftseitige Kompressionsmaschine und eine, auf einer gemeinsamen Welle mit der zuluftseitigen Kompressionsmaschine angeordnete abluftseitige Expansionsmaschine. Erfindungsgemäß ist nach der abluftseitigen Expansionsmaschine eine motorisch angetriebene Kompressionsmaschine angeordnet. DOLLAR A Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft ist die Expansionsmaschine als Turbine mit variablem Turbinenleitgitter ausgebildet. Die Zufuhr der Prozessluft wird dann über die Drehzahl der Kompressionsmaschine gesteuert und/oder geregelt. Erfindungsgemäß wird hier die Regelung der Drehzahl durch das variable Turbinenleitgitter und die motorisch angetriebene Expansionseinrichtung nach der Turbine gesteuert oder geregelt. DOLLAR A Die Erfindung kann zum Versorgen einer luftatmenden Brennstoffzelle mit Prozessluft genutzt werden, z. B. der Brennstoffzelle in einem mobilen System, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft, nach der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens und/oder einer derartigen Vorrichtung.
  • Aus der EP 0 629 013 B2 ist eine Vorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems bekannt. Diese Vorrichtung zur Versorgung einer luftatmenden Brennstoffzelle weist einen in der Luftzuführungsleitung zur Brennstoffzelle angeordneten Verdichter mit veränderlicher Drehzahl und einen in der Luftabführungsleitung angeordneten Expander mit veränderlichem Schluckvermögen auf, welche beide auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Auf der gemeinsamen Welle ist außerdem ein Elektromotor angeordnet, welcher zumindest einen Teil der für die Kompression der zugeführten Luft benötigten Energie zur Verfügung stellt, während der andere Teil der benötigten Energie von dem Expander geliefert wird. Der vorgegebene Luftvolumenstrom wird anhand einer Drehzahlregelung für den Elektromotor mit Hilfe des Stromreglers und der vorgegebene Betriebsdruck mit Hilfe des Schluckvermögens des Expanders auf vorgegebene Sollwerte eingestellt.
  • In dem durch die oben genannte EP-Schrift dargestellten Aufbau kann mit dem Expander ein Teil der für die Verdichtung der Prozessluft aufgebrachten Energie zurückgewonnen werden. Die für die Luftversorgung zusätzlich benötigte Energie wird in dem System durch den Elektromotor, welcher zusammen mit dem Expander und dem Verdichter auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, bereitgestellt.
  • Weitere Konzepte zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems bedienen sich eines ähnlichen Aufbaus aus Expander und Verdichter, wobei diese gegebenenfalls auch nur eine Stufe eines mehrstufigen Systems zur Luftversorgung der Brennstoffzelle bilden können. Um mit dem Expander eine ausreichende Energie bereitzustellen, sind bei diesen Ansätzen, welche beispielsweise durch die DE 199 56 376 A1 und durch die EP 1 009 053 A1 beschrieben werden, jeweils katalytische Brenner vorgesehen, welche die Temperatur der Gase vor dem Einleiten in den Expander erhöhen, um durch den Expander ausreichend viel Energie für die Verdichtung der Prozessluft aufbringen zu können. Die in dem katalytischen Brenner dazu benötigte Energie stammt aus nicht umgesetzten Resten an Wasserstoff und Kohlenwasserstoff in dem Abgas der Anodenseite der Brennstoffzelle, welches vor dem Brenner mit der kathodenseitigen Abluft vermischt wird.
  • Alle oben genannten Aufbauten sind verhältnismäßig aufwendig und komplex hinsichtlich der Regelung der Zufuhr der Prozessluft, da diese vom Temperaturniveau in dem katalytischen Brenner, dem Durchsatz an zur Verbrennung geeigneten Edukten und dergleichen, abhängen. Außerdem kommt es zu einer zeitlichen Verzögerung der Bereitstellung der Energie, da zuerst eine ausreichend hohe Menge an Prozessluft durch die Brennstoffzelle gefördert werden muß, ehe der katalytische Brenner damit in der Lage ist, eine höhere Energieausbeute zu liefern und dementsprechend eine größere Energiemenge zur Verdichtung bereitzustellen. Die Energiebereitstellung für den Verdichter erfolgt also mit zeitlichem Versatz. Kann man auf einen dynamischen Betrieb der Brennstoffzelle nicht verzichten, so ist man gezwungen die benötigte Energie kurzfristig anderweitig bereitzustellen, sei es über einen aus einer Batterie gespeisten Elektromotor oder eine direkte Zufuhr von Brennstoffen und Luft in den katalytischen Brenner.
  • Ausgehend von dieser oben beschriebenen Problematik ist es nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und ein einfaches, kleines, leichtes und dynamisch betreibbares System zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft bereitstellt, welches einen kleinen Energieverbrauch hat.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch die abluftseitig nach der Expansionsmaschine angeordnete motorisch angetriebene Kompressionsmaschine wird eine sehr einfache und effiziente Möglichkeit der Energieeinspeisung geschaffen. Hinter der Expansionsmaschine kann damit ein Druckniveau eingestellt werden, welches unterhalb des Umgebungsdrucks liegt, wobei die durch die Expansionsmaschine zu erzeugende Energie zum Antreiben der mit ihr auf einer Welle angeordneten zuluftseitigen Kompressionsmaschine genutzt werden kann.
  • Dadurch kann als Expansionsmaschine und zuluftseitige Kompressionsmaschine ein sehr kostengünstiger und einfacher Freiläufer ohne zusätzlichen Elektromotor eingesetzt werden, welcher an sich aus Turboladern bei Verbrennungsmotoren bekannt ist. Aufgrund der hohen Drehzahl kann dieser dann sehr klein und leicht gebaut werden, was insbesondere bei der Verwendung für kleine Brennstoffzellensysteme in mobilen Anwendungen, beispielsweise zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs oder als Hilfsenergieerzeuger (APU) in einem Kraftfahrzeug, von besonderem Vorteil ist.
  • In einer besonders günstigen Weiterbildung der oben genannten Vorrichtung kann zwischen der Expansionsmaschine und der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine ein Kondensator angeordnet sein.
  • Dieser Kondensator sitzt damit in einem Bereich, in welchen normalerweise ein Druckniveau herrschen wird, welches kleiner als das Druckniveau der Umgebung ist. Die Bedingungen, um das mit der Abluft transportierte Wasser aus derselben auszukondensieren, sind in diesem Bereich ideal, so dass der wenigstens annähernd größte Teil des mit der Abluft abtransportierten Produktwassers der Brennstoffzelle im Bereich dieses Kondensators zurückgewonnen werden kann. Eine ausgeliehene Wasserbilanz und damit der Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems, ohne dass ein Nachtanken von Wasser erforderlich wäre wird so leicht möglich.
  • Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Verfahren mit den Merkmalen, welche im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 11 angegeben sind, gelöst.
  • Dadurch, dass die Drehzahl der Kompressionsmaschine durch das variable Turbinenleitgitter und die nach der Turbine angeordnete motorisch angetriebene Kompressionseinrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, kann die Zufuhr der Prozessluft in sehr einfacher und effizienter Weise beeinflusst werden.
  • Auch hier spielt wiederum der oben bereits genannte Vorteil eine große Rolle, dass durch die Steuerung und/oder Regelung über das an sich bekannte Turbinenleitgitter einerseits und die nach der Turbine angeordnete Kompressionsmaschine andererseits eine sehr einfache und effiziente Kombinationen aus zuluftseitiger Kompressionsmaschine und Turbine eingesetzt werden kann. Diese sehr robusten und an sich bekannten Freiläufer sind - wie bereits erwähnt - als Turbolader für Verbrennungsmaschinen an sich bekannt, so dass hier ein sehr einfacher, kostengünstiger und sehr klein zu realisierbarer Aufbau entsteht, insbesondere durch die Möglichkeit der Verwendung von entsprechend hohen Drehzahlen, welche wiederum zur Minimierung der Größe und des Gewichts der Turbine und des zuluftseitigen Expanders beitragen.
  • Eine besonders günstige Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung und/oder des oben beschriebenen Verfahrens liegt im Einsatz zur Versorgung einer luftatmenden Brennstoffzelle in einer mobilen Anwendung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit Prozessluft.
  • Gerade bei derartigen Anwendung, welche häufig im Teillastbereich betrieben werden, spielt ein hoher Wirkungsgrad und ein sehr kleines, leichtes und robustes System, welches hohe dynamische Anforderungen erfüllen kann, eine besonders große Rolle. Die oben genannte Vorrichtung und/oder das oben genannte Verfahren ermöglichen es, diese Vorteile bei der Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft zu nutzen. Die Brennstoffzelle kann dabei sowohl die Energie für den Antrieb des mobilen Systems liefern als auch als Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU) eingesetzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand einer Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Die einzige beigefügte Figur zeigt eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft.
  • Das Ausführungsbeispiel beschreibt anhand der einzigen beigefügten Figur eine Vorrichtung 1 zur Versorgung einer Brennstoffzelle 2 mit Prozessluft. Im Sinne einer Optimierung der Wirkungsgrade stellt die Vorrichtung 1 der Brennstoffzelle 2 die Prozessluft bei Drücken von weniger als 2,5 bar absolut zur Verfügung. Durch diese an sich bekannte Maßnahme lässt sich der für die Luftversorgung benötigte Energieeinsatz minimieren, ohne den Betrieb der Brennstoffzelle im wesentlichen zu verschlechtern. Die Vorrichtung 1 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Prozessluft ist also als Luftversorgungssystem für eine Niederdruckbrennstoffzelle ausgebildet, dies soll die Erfindung jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel einschränken.
  • Aufgrund des angestrebten niederen Eintrittsdrucks der Brennstoffzelle 2 kann eine einstufige Verdichtung der Prozessluft vom Umgebungsdruck PI (Zustand I) auf das Druckniveau PII der Niederdruckbrennstoffzelle 2 von im allgemeinen weniger 2,5 bar absolut, bevorzugt weniger als 2 bar absolut, (Zustand II) realisiert werden. Die hierfür erforderliche Kompressionsmaschine 3 ist als Strömungsverdichter 3 ausgebildet, welcher über eine Welle 4, die in einer Lagerung 5 läuft, mit einer Expansionsmaschine 6 fest verbunden ist. Die Prozessluft wird entsprechend der allgemein üblichen Vorgehensweise vor dem Eintritt in die Vorrichtung 1 zur Luftversorgung entsprechend gefiltert und, falls erforderlich, in dem Bereich zwischen dem Strömungsverdichter 3 und der Brennstoffzelle 2 vor der Zufuhr in die Brennstoffzelle 2 entsprechend konditioniert, beispielsweise befeuchtet, gekühlt/beheizt oder dergleichen.
  • Die mit dem Dampf des in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwassers behaftete Abluft der Brennstoffzelle 2 strömt, ausgehend von dem Zustand III nach der Brennstoffzelle 2 in die Expansionsmaschine 6, hier eine Expansionsturbine 6. Je nach momentan gelieferter Leistung, also dem Betriebspunkt, und dem Typ der eingesetzten Brennstoffzelle 2 sind Gas-/Dampftemperaturen in einer Spanne von 40 bis 100°C typisch. Dementsprechend ist die Expansionsturbine 6 in idealer Weise als eine Radialturbine 6 ausgebildet, welche zusätzlich mit einem variablen Turbinenleitgitter 7 versehen ist. Der Strömungsverdichter und die Turbine 6 können als sehr kleiner, robuster und einfacher Freiläufer ausgebildet werden, welcher bei hier Drehzahl betrieben wird.
  • Mit dem variablen Turbinenleitgitter 7 kann eine Leistungs- und Wirkungsgradbeeinflussung der Turbine 6 erfolgen, so dass über die direkte Kopplung mit der zuluftseitigen Kompressionsmaschine, hier also dem Strömungsverdichter 3, der Eintrittsdruck PII der Prozessluft (Zustand II) in die Brennstoffzelle 2 beeinflusst werden kann. Durch diese Beeinflussung des Zustands II liegt dann auch der Luftdurchsatz durch die Brennstoffzelle 2 fest, wodurch das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle 2 über die Austrittsseite des Strömungsverdichters 3 gegeben ist.
  • Zum Einspeisen der benötigten Antriebsenergie des Strömungsverdichters 3 weist die Vorrichtung 1 außerdem eine motorisch angetriebene Kompressionsmaschine 8 auf. Diese besteht in idealer Weise aus einem Radialverdichter 8, welcher von einem Elektromotor 9 angetrieben wird. Der Elektromotor 9 erhält die für seinen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus der Brennstoffzelle 2 oder gegebenenfalls aus einer mit der Brennstoffzelle 2 in Verbindung stehenden Energiespeichereinrichtung in Form einer Batterie. Diese zweite Möglichkeit ist insbesondere für den Startfall und zum Erfüllen von hohen dynamische Anforderungen wichtig.
  • Die Wirkung des variablen Turbinenleitgitters 7 steht in direkter Verbindung mit der Anordnung des Radialverdichters 8 als Energieeinspeisung nach der Turbine 6. Der Zustand IV nach der Turbine 6 ist von dem engsten Querschnitt im Bereich des variablen Turbinenleitgitters 7 und damit von der Saugwirkung des Radialverdichters 8 abhängig. Das bedeutet, dass der Radialverdichter 8, welcher über den Elektromotor 9 angetrieben wird, die von ihm aufgebrachte Energie indirekt der Expansionsturbine 6 bereitstellt, indem er das gewünschte Expansionsverhältnis PIII/PIV bei eingestelltem Querschnitt in dem variablen Turbinenleitgitter 7 durch seinen Ansaugdruck PV (Zustand V) verursacht. Der Radialverdichter 8 wird also über das variable Turbinenleitgitter 7 der Turbine 6 und die gegebenenfalls nachfolgenden Elemente angedrosselt und erbringt dann mittels der Energie aus dem Elektromotor 9 das Kompressionsverhältnis PVI/PV, wenn zwischen der Turbine 6 und dem Radialverdichter 8 weitere Komponenten angeordnet sind, welche einen Druckverlust von ΔP = PV - PIV erzeugen.
  • Dieser Druckverlust ΔP könnte beispielsweise von einem Kondensator 10 erzeugt werden, welcher an dieser Stelle besonders günstig angeordnet ist. Der Druck PVI (Zustand VI) ist dann unter Berücksichtigung der nachfolgend im allgemeinen sehr niedrigen Druckverluste in dem Austrittssystem sehr nahe oder wenigstens annähernd gleich dem Umgebungsdruck.
  • Die in der einzigen beigefügten Figur dargestellte prinzipmäßige Schaltungsanordnung des zum Umgebungsdruck hin arbeitenden Radialverdichters 8 wird im Zusammenhang mit der oben bereits erwähnten Positionierung des Kondensators 10 hinsichtlich ihres günstigen Aufbaus deutlich. Der Kondensator 10 dient zum Abscheiden von Wasser (H2O) aus der von der Brennstoffzelle 2 stammenden Abluft. Er weist außerdem einen Wärmetauscher 11 auf, um die Zu- oder Abfuhr von thermischer Energie in den Bereich des Kondensators 10 zum Zweck der Erwärmung und/oder Kühlung der feuchten Abluft, zur Verbesserung der Kondensation bei Verhinderung des Einfrierens, zu ermöglichen.
  • Der Kondensator 10 erfährt durch die Anordnung zwischen der Turbine 6 und dem Radialverdichter 8 praktisch immer einen Unterdruck, also eine Druckniveau unterhalb des Umgebungsdrucks. Die Entwässerung des Dampf-/Gasgemischs der Abluft wird dadurch stark erleichtert. Typische Drücke im Bereich des Kondensators 10 liegen bei bis zu 400 mbar absolut oder weniger. Diese niedrigen Drücke werden dadurch möglich, dass das variable Turbinenleitgitter 7 der Turbine 6 entsprechend eingestellt werden kann, so dass hier sehr enge Querschnitte im Bereich des Turbinenleitgitters 7 möglich sind. Je nach Expansionsdruckverhältnis der Turbine 6 ist außerdem eine Absenkung der Temperatur vom Eintritt der Turbine 6 zum Austritt der Turbine 6, also dem Eintritt in den Kondensator 10, von 50 bis 70 K möglich. Bei kühler Witterung könnte dies möglicherweise zu einer Vereisung des Turbinenaustritts bzw. des Kondensators 10 führen. Aus diesem Grund sollte der Wärmetauscher 11 des Kondensators 10 neben der üblicherweise stattfindenden Kühlung zur Verbesserung der Kondensation des Dampf-/Gasgemischs auch die Möglichkeit besitzen, eben dieses Gemisch zu erwärmen. In idealer Weise ist der Wärmeaustausch durch den Wärmetauscher 11 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur gesteuert oder geregelt.
  • Aus energetischen Gründen ist zum Erreichen eines bestmöglichen Wirkungsgrades der Luftversorgung eine sehr tiefe Eintrittstemperatur des Gases in den Radialverdichter 8 wünschenswert, da sich die Kompressionsleistung entsprechend proportional zur Eintrittstemperatur verhält. Da jedoch eine Vereisung des Kondensators 10 die Funktion der Vorrichtung 1 insgesamt gefährden würde, ist über eine geeignete Steuerung und/oder Regelung des Turbinenleitgitters 7, des Wärmeaustauschs über den Wärmetauscher 11 und den Elektromotor 9 eine Betriebsart auszuwählen, welche eine Vereisungsgefahr bei bestmöglichem Wirkungsgrad praktisch ausschließen kann.
  • Außerdem kann, um den stabilen Betrieb des Strömungsverdichters 3 zu gewährleisten, in der Vorrichtung 1 außerdem ein Bypassventil 12 vorgesehen sein. Über dieses Bypassventil 12 ist der Austritt des Strömungsverdichters 3 mit dem Eintritt der Turbine 6 unmittelbar verbunden, die Prozessluft wird also im Bypass um die Brennstoffzelle 2 geführt. Insbesondere beim Starten der Brennstoffzelle 2 oder bei sehr dynamischen Änderungen des Betriebspunkts der Brennstoffzelle 2, kann dieses Bypassventil 12 sehr nützlich sein, da die Turbine 6 in diesen Phasen bei geöffnetem Bypassventil 12 einen höheren Exergiestrom erhalten kann, als wenn die vollständige Prozessluft zuerst die Brennstoffzelle 2 hätte durchlaufen müssen, ohne dort zur Erzeugung von elektrischer Energie benötigt zu werden.
  • Des weiteren könnte in der Anlaufphase oder in anderen instationären Betriebsphasen der Brennstoffzelle 2, insbesondere bei sehr kühlen Umgebungstemperaturen, auch ein Kurzschließen des Ausgangs des Radialverdichters 8 (Zustand VI) und des Eingangs (Zustand I) des Strömungsverdichters 3 über ein Kurzschlussventil 13 sinnvoll sein, bis sich im Gesamtsystem, insbesondere in der Brennstoffzelle 2, die optimale Betriebstemperatur eingestellt hat. In dieser Betriebsphase wäre dann außerdem eine einstellbare Drosseleinrichtung im Bereich der Verbindung der das Kurzschlussventil 13 aufweisenden Verrohung 14 mit der Ansaugverrohrung des Strömungsverdichters 3 sinnvoll, um hier die Rückführrate der angewärmten Prozessluft in die zuströmende Luft einstellen zu können. In Abhängigkeit des im Bereich der Brennstoffzelle 2 benötigten Sauerstoffgehalts könnte diese Rückführrate der bereits angewärmten Prozessluft möglichst hoch gewählt werden, so dass möglichst wenig thermische Energie "verschenkt" wird und ein sehr schnelles Aufwärmen der Brennstoffzelle 2 möglich ist.
  • Hinsichtlich der eingangs bereits erwähnten Lagerung 5 der Welle 4 des Freiläufers aus Strömungsverdichter 3 und Turbine 6 soll angemerkt werden, dass hier eine Lagerung zu wählen wäre, welche sicherstellt, dass die der Brennstoffzelle 2 zugeführte Prozessluft frei von Öl oder anderen Rückständen ist. Als Lagerung 5 käme damit beispielsweise eine Luftlagerung, eine Magnetlagerung oder auch eine entsprechend gut abgedichtete ein Öl oder ein anderes Schmiermittel aufweisende Lagerungseinrichtung in Frage.
  • Die gesamte Vorrichtung 1 zur Zufuhr von Prozessluft zu der Brennstoffzelle 2 wird von einem Steuergerät 15 gesteuert und/oder geregelt. Von dem Steuergerät 15 wird beispielsweise über die Leitung 16 das variable Turbinenleitgitter 7 beeinflusst. Über die Leitung 17 kann die von der Brennstoffzelle 2 zu dem Elektromotor 9 geleitete Energiemenge entsprechend beeinflusst werden, so dass der Elektromotor 9 entsprechend seiner Leistung und/oder seiner Drehzahl von dem Steuergerät 15 gesteuert oder bei entsprechender Rückmeldung geregelt werden kann. Ebenso obliegt dem Steuergerät 15 über die Leitungen 18, 19 die Betätigung des Bypassventils 12 bzw. des Kurzschlussventils 13 sowie die Regelung des Wärmeaustauschs über den Wärmetauscher 11 durch die Steuerleitung 20, jeweils unter Verwendung von entsprechenden an sich bekannten Aktuatoren, welche hier nicht dargestellt sind, und auf welche, da sie die Erfindung nicht unmittelbar betreffen, nicht näher eingegangen werden soll. Die oben angegebenen Verfahrensabläufe können somit durch die Steuerung 15 in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzelle 2, der Umgebungstemperatur etc. vorgegeben und gesteuert bzw. geregelt werden.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft, mit einer zuluftseitigen Kompressionsmaschine und einer auf einer gemeinsamen Welle mit der zuluftseitigen Kompressionsmaschine angeordneten, abluftseitigen Expansionsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass nach der abluftseitigen Expansionsmaschine (6) eine motorisch angetriebene Kompressionsmaschine (8) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (6) als Expansionsturbine (6) mit variablem Turbinenleitgitter (7) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zuluftseitige Kompressionsmaschine (3) als Strömungsverdichter (3) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die motorisch angetriebene Kompressionsmaschine (8) als Radialverdichter (8) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zuluftseitigen Verbindung der Kompressionsmaschine (3) mit der Brennstoffzelle (2) und der abluftseitigen Verbindung der Brennstoffzelle (2) mit der Expansionsmaschine (6) eine über ein Bypassventil (12) steuer- und/oder regelbare Verbindung angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Expansionsmaschine (6) und der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine (8) ein Kondensator (10) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kondensators (10) ein Wärmetauscher (11) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung (5) der Welle (4) ölfrei ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Druck der der Brennstoffzelle (2) zugeführten Prozessluft beim Eintritt in die Brennstoffzelle (2) kleiner als 2,5 bar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsseite der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine (8) eine zumindest ein Absperrventil (13) aufweisende Verbindung (14) zu der Eingangsseite der zuluftseitigen Kompressionsmaschine (3) aufweist.
11. Verfahren zum Versorgen einer Brennstoffzelle mit Prozessluft, wobei die Prozessluft über eine zuluftseitige als Strömungsverdichter ausgebildete Kompressionsmaschine, welche auf einem gemeinsamen Welle mit einer abluftseitigen Expansionsturbine mit variablem Turbinenleitgitter angeordnet ist, verdichtet wird, und wobei die Zufuhr der Prozessluft über die Drehzahl der Kompressionsmaschine gesteuert und/oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Kompressionsmaschine (3) durch das variable Turbinenleitgitter (7) und eine nach der Expansionsturbine (6) angeordnete, motorisch angetriebene Kompressionsmaschine (8) gesteuert und/oder geregelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Startfall der Brennstoffzelle (2) die zuluftseitige Kompressionsmaschine (3) durch den Betrieb der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine (8) gestartet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Teillastbetrieb und/oder in instationären Betriebsphasen der Brennstoffzelle (2) zur Steuerung und/oder Regelung der Zufuhr von Prozessluft der Eintritt der Kompressionsmaschine (3) und der Austritt der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine (8) kurzgeschlossen werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei mit dem Eintritt der Kompressionsmaschine (3) kurzgeschlossenem Austritt der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine (8) die Rate der zurückgeführten Abluft gesteuert und/oder geregelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Teillastbetrieb und/oder in instationären Betriebsphasen der Brennstoffzelle (2) zur Steuerung und/oder Regelung der Zufuhr von Prozessluft die Prozessluft im Bypass um die Brennstoffzelle (2) in den Bereich des Eintritts der Expansionsmaschine (6) geführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen der Expansionsmaschine (6) und der motorisch angetriebenen Kompressionsmaschine (8) in dem Bereich eines Kondensators (10) ein Wärmeaustausch in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur gesteuert und/oder geregelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zuluftseitige Kompressionsmaschine (3) ein Druck kleiner als 2,5 bar absolut erzeugt wird.
18. Verwendung der Vorrichtung und/oder des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Versorgen einer luftatmenden Brennstoffzelle in einer mobilen Anwendung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit Prozessluft.
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