WO2024041783A1 - Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2024041783A1
WO2024041783A1 PCT/EP2023/067766 EP2023067766W WO2024041783A1 WO 2024041783 A1 WO2024041783 A1 WO 2024041783A1 EP 2023067766 W EP2023067766 W EP 2023067766W WO 2024041783 A1 WO2024041783 A1 WO 2024041783A1
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fuel cell
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Helerson Kemmer
Jochen Braun
Mark Hellmann
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Fuel cell system method for operating a fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the invention.
  • chemical energy can be converted into electrical energy using hydrogen and oxygen.
  • the electrical energy obtained in this way can be used, for example, to drive a vehicle.
  • the required hydrogen is carried in a suitable tank on board the vehicle.
  • the oxygen required is taken from the ambient air.
  • the ambient air Before the ambient air is supplied to the at least one fuel cell, it is compressed using an air compression system to generate a certain air mass flow and pressure level.
  • a thermal fluid machine can be used as the air compression system, which can be constructed in one or more stages and/or in one or more flows.
  • the air compression system can be coupled to a turbine or an exhaust gas turbocharger, to which the moist air or exhaust air flowing out of the at least one fuel cell is supplied.
  • another technology can also be used to form a compression stage instead of a thermal fluid machine, for example a piston engine, a screw compressor, a Roots compressor or a scroll compressor.
  • the present invention is based on the object of optimizing the operation of a fuel cell system with a multi-stage air compression system, in particular of making it more efficient.
  • the present invention is applicable not only to mobile fuel cell systems, but also to stationary fuel cell systems.
  • a fuel cell system in which air is sucked in from the environment using an air compression system comprising a first compression stage with a first compressor impeller and a second compression stage with a second compressor impeller, compressed and supplied to at least one fuel cell via a cathode supply air path.
  • exhaust air emerging from the fuel cell is also removed via a cathode exhaust air path.
  • a first turbine and a second turbine are arranged in the cathode exhaust air path, wherein the first compressor impeller can be driven by the first turbine and the second compressor impeller can be driven by the second turbine. It is therefore proposed that the first and second compression stages be designed as exhaust gas turbochargers.
  • the fuel cell system according to the invention can reduce fuel consumption because the integration of two turbines into the exhaust air path means that there is less energy required to operate the air compression system.
  • the fuel cell system is more robust and fail-safe because if one of the two turbines is defective, energy from the exhaust gas can still be used to compress air in the air path.
  • Another positive aspect is the improved energy recuperation thanks to the possibility of coupling in waste heat in front of the turbines.
  • first compressor impeller can be driven with the aid of a first motor and/or the second compressor impeller can be driven with the aid of a second motor in order to establish the required compression ratios of the air in the air path.
  • a first bypass path in which a first bypass valve is arranged, which is connected to the cathode exhaust air path, is advantageous because the first bypass path is provided for bypassing the first turbine, and thus it is possible to insert or insert the turbine into the air compression system to uncouple.
  • a second bypass path in which a second bypass valve is arranged, the bypass path being connected to the cathode exhaust air path and being provided for bypassing the second turbine, has the same advantages as the first bypass path.
  • a particular advantage is achieved if the first turbine is designed for an upper load range and the second turbine is designed for a low load range, since a variable turbine geometry can be approximated by the two differently designed turbines.
  • a complex adjustment mechanism, as with a variable turbine geometry is not required to optimally serve different load ranges. This leads to a reduction in manufacturing costs and greater robustness of the turbine because the adjustment mechanism can be dispensed with.
  • the flexible coupling of the two turbines enables a wide operating range with high recuperation efficiency, which leads to a reduction in hydrogen consumption. It is advantageous if: the first bypass valve and/or the second bypass valve is opened, closed or partially opened depending on the mass flow required via the first turbine and/or second turbine.
  • the first bypass valve When the fuel cell is operating in the lower load range, in particular below a first predetermined threshold value, the first bypass valve is opened and exhaust gas is directed from the exhaust gas path via the second turbine. In contrast, when the fuel cell is operated in the upper load range, in particular above a second predetermined threshold value, the second bypass valve is opened and exhaust gas is directed from the exhaust gas path via the first turbine.
  • the cathode supply air can be humidified by introducing at least part of the moist air into the cathode supply air path.
  • An additional humidification device in the cathode supply air path is therefore unnecessary.
  • the purpose of humidifying the cathode supply air is to prevent the proton-conducting membrane of the at least one fuel cell from drying out. In order to be able to conduct protons, the membrane must be sufficiently moist. Since the risk of drying out is particularly high in the area where the cathode supply air path enters the fuel cell, the cathode supply air is usually humidified. This results in an optimization of water management in the operation of the fuel cell system.
  • FIG. 1 shows an example of a fuel cell system 1 according to the invention with a fuel cell 5, which can be supplied with oxygen via a cathode supply air path 4.
  • a fuel cell 5 which can be supplied with oxygen via a cathode supply air path 4.
  • air is sucked in from an environment 2 and fed to a multi-stage air compression system 3 via an optional air filter 13.
  • the multi-stage air compression system 3 has a first compression stage with a first compressor impeller 14 and a second compression stage with a second compressor impeller 24.
  • the fuel cell is further connected to a cathode exhaust air path 6.
  • the cathode exhaust path 6 serves to release used air, water and exhaust gases from the fuel cell into the environment.
  • a first turbine 11 and a second turbine 21 are arranged in the cathode exhaust air path 6.
  • the first compressor impeller 14 and the second compressor impeller 24 are each arranged on a shaft 18, wherein the first compressor impeller 14 can be driven by the first turbine 11 and the second compressor impeller 24 can be driven by the second turbine 21.
  • This means that the first and second compression stages are each implemented by an exhaust gas turbocharger.
  • the first turbine 11 has a turbine impeller which is arranged on the common shaft 15 together with the compressor impeller 14 of the exhaust gas turbocharger.
  • the turbine impeller of the first turbine 11 is flowed by exhaust air, which emerges from the fuel cell 5 and/or from the second turbine 21 during operation of the fuel cell system 1 and is discharged via a cathode exhaust air path 6.
  • the second turbine 21 has a turbine impeller which is arranged on the common shaft 15 together with the compressor impeller 24 of the exhaust gas turbocharger.
  • the turbine impeller of the second turbine 21 is flowed by exhaust air, which emerges from the fuel cell 5 during operation of the fuel cell system 1 and is discharged via a cathode exhaust air path 6.
  • the shaft 18 of the first compressor impeller 14 has a motor 15 with the help of which the first compressor impeller 14 can be driven.
  • the shaft 18 of the second compressor impeller 24 also has a motor 25, with the help of which the second compressor impeller 14 can be driven.
  • the fuel cell system 1 has a first bypass path 10 in the cathode exhaust air path 6, in which a first bypass valve 17 is arranged.
  • the first bypass path 10 serves to bypass the first turbine 11, so that exhaust gas from the cathode exhaust air path 6 can flow past the first turbine 11.
  • the First bypass valve 17 can be completely or partially opened or closed depending on the power requirement of the fuel cell 5. If the bypass valve 17 is completely open, all of the exhaust air flows past the first turbine 11, so that it cannot contribute to driving the first compressor impeller 14.
  • the fuel cell system 1 has a first bypass path 10 in the cathode exhaust air path 6, in which a first bypass valve 17 is arranged.
  • the first bypass path 10 serves to bypass the first turbine 11, so that exhaust gas from the cathode exhaust air path 6 can flow past the first turbine 11.
  • the first bypass valve 17 can be completely or partially opened or closed depending on the power requirement of the fuel cell 5. If the bypass valve 17 is completely open, all of the exhaust air flows past the first turbine 11, so that it cannot contribute to driving the first compressor impeller 14.
  • the fuel cell system 1 has a second bypass path 20 in the cathode exhaust air path 6, in which a second bypass valve 27 is arranged.
  • the second bypass path 20 serves to bypass the second turbine 21, so that exhaust gas from the cathode exhaust air path 6 can flow past the second turbine 21.
  • the second bypass valve 27 can be completely or partially opened or closed depending on the power requirement of the fuel cell 5. If the bypass valve 27 is completely open, all of the exhaust air flows past the second turbine 21, so that it cannot contribute to driving the first compressor impeller 24.
  • the first compressor impeller 14 can be driven by the first electric motor 15 and/or by the first turbine 11.
  • the first bypass valve 17 is completely open.
  • the first motor 15 is not active.
  • a combination of a drive consisting of the first motor 15 and the first turbine 11 is possible.
  • the first bypass valve 17 is partially opened.
  • Analogous operation is also possible with the second compressor impeller 24, since this is driven by the first electric motor 25 and/or by the second turbine 21.
  • the first bypass valve 17 and/or the second bypass valve 27 can be opened, closed or partially opened depending on the mass flow required via the first turbine 11 and/or second turbine 21.
  • first compressor impeller 14 can be operated in any mode by the actuators (first turbine 11 and first electric motor 15) and that the second compressor impeller 24 can be operated in any mode by the actuators (second turbine 21 and second electric motor 25 ) can be operated, any performance requirements can be met via the two compressor stages of the air compression system 3.
  • the first turbine 11 has a fixed geometry, which is preferably designed for an upper load range, while the second turbine 21 has a fixed geometry, which is preferably designed for a low load range.
  • the first bypass valve 17 is opened when the fuel cell 1 is operating in the lower load range, so that exhaust gas from the exhaust gas path is only directed via the second turbine 21. If necessary, the first compressor impeller 14 can only be driven via the first electric motor 15. Accordingly, when operating in the upper load range, the second bypass valve 27 is opened and the exhaust gas from the exhaust gas path is only directed via the first turbine 11.
  • the second compressor impeller 24 can be
  • first turbine 11 and the second turbine 21 have a different geometry of their impellers, which for are each designed for a different load range, with the impeller of the first turbine 11 being optimized for a lower load range and the impeller of the second turbine 21 being optimized for an upper load range.
  • the fuel cell system 1 can have two intercoolers 8 in the cathode supply air path 4.
  • a first intercooler 8 is arranged between the two compressor impellers 14, 24 and a second intercooler 8 is arranged downstream of the second compressor impeller 24.
  • the first intercooler 8 is optional.
  • the second intercooler 8 can also be replaced by a water injection device (not shown).
  • a connecting line 7 opens into the cathode supply air path 4, which at the other end is connected to the cathode exhaust air path 6.
  • a controllable valve 9 is also arranged in the connecting line 7.
  • valve 9 If the valve 9 is opened, due to the prevailing pressure conditions, exhaust air or moist air flows from the cathode exhaust air path 6 via the connecting line 7 into the cathode supply air path 4.
  • the cathode supply air is humidified and cooled in this way. At the same time, part of the exhaust air is recirculated and used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (5), die zum Zuführen von Luft an einen Kathoden-Zuluftpfad (4) und zum Abführen von Abluft an einen Kathoden-Abluftpfad (6) angeschlossen ist, wobei im Kathoden-Zuluftpfad (4) ein Luftverdichtungssystem (3) angeordnet ist, das eine erste Verdichtungsstufe (3.1) mit einem ersten Verdichterlaufrad (14) und eine zweite Verdichtungsstufe (3.2) mit einem zweiten Verdichterlaufrad (24) umfasst. Im Kathoden-Abluftpfad ist eine erste Turbine (11) und eine zweite Turbine (21) angeordnet ist, wobei das erste Verdichterlaufrad (14) durch die erste Turbine (11) und das zweite Verdichterlaufrad (24) durch die zweite Turbine (21) antreibbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem (1).

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems kann unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Die auf diese Weise gewonnene elektrische Energie kann beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs genutzt werden. Der benötigte Wasserstoff wird in diesem Fall in einem geeigneten Tank an Bord des Fahrzeugs mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.
Bevor die Umgebungsluft der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt wird, wird sie zur Erzeugung eines gewissen Luftmassenstroms und Druckniveaus mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems verdichtet. Als Luftverdichtungssystem kann insbesondere eine thermische Strömungsmaschine eingesetzt werden, die ein- oder mehrstufig und/oder ein- oder mehrflutig aufgebaut sein kann. Zur Energierückgewinnung kann das Luftverdichtungssystem mit einer Turbine bzw. einem Abgasturbolader gekoppelt werden, der bzw. dem die aus der mindestens einen Brennstoffzelle abströmende feuchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Sofern das Luftverdichtungssystem mehrstufig ausgeführt ist, kann zur Ausbildung einer Verdichtungsstufe anstelle einer thermischen Strömungsmaschine auch eine andere Technologie verwendet werden, beispielsweise eine Kolbenmaschine, ein Schraubenkompressor, ein Roots- Kompressor oder ein Scrollverdichter. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem mehrstufigen Luftverdichtungssystem zu optimieren, insbesondere effizienter zu gestalten.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht allein auf mobile Brennstoffzellensysteme, sondern auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme anwendbar.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Brennstoffzellensystems, bei dem Luft aus der Umgebung mit Hilfe eines eine erste Verdichtungsstufe mit einem ersten Verdichterlaufrad und eines eine zweite Verdichtungsstufe mit einem zweiten Verdichterlaufrad umfassenden Luftverdichtungssystems angesaugt, verdichtet und über einen Kathoden-Zuluftpfad mindestens einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Bei dem Brennstoffzellensystem wird ferner aus der Brennstoffzelle austretende Abluft über einen Kathoden-Abluftpfad abgeführt. Erfindungsgemäß ist im Kathoden-Abluftpfad eine erste Turbine und eine zweite Turbine angeordnet, wobei das erste Verdichterlaufrad durch die erste Turbine und das zweite Verdichterlaufrad durch die zweite Turbine antreibbar ist. Es wird folglich vorgeschlagen, dass die erste und zweite Verdichtungsstufe als Abgasturbolader ausgeführt ist.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, da durch die Einbindung von zwei Turbinen in den Abluftpfad ein geringerer Energiebedarf zum Betreiben des Luftverdichtungssystems besteht.
Das Brennstoffzellensystem ist robuster und ausfallsicherer, da bei einem Defekt einer der beiden Turbinen, weiterhin Energie aus dem Abgas zur Verdichtung von Luft im Luftpfad genutzt werden kann. Ein weiterer positiver Aspekt ist die verbesserte Energierekuperation durch die Möglichkeit Abwärme vor den Turbinen einzukoppeln.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn das erste Verdichterlaufrad mit Hilfe eines ersten Motors und/oder das zweite Verdichterlaufrad mit Hilfe eines zweiten Motors antreibbar ist/sind, um die erforderlichen Verdichtungsverhältnisse der Luft im Luftpfad aufzubauen.
Ein erster Bypasspfad, in dem ein erstes Bypassventil angeordnet ist, welcher mit dem Kathoden-Abluftpfad verbunden ist, ist vorteilhaft, da der erste Bypasspfad zur Umgehung der ersten Turbine vorgesehen ist, und damit die Möglichkeit gegeben ist die Turbine in das Luftverdichtungssystem ein- oder auszukoppeln. Dies erweitert die Anzahl der Freiheitsgrade bei der Betriebsführung und führt in Summe zu einer Reduzierung der Betriebskosten. Die Reduzierung der Betriebskosten ist so signifikant, dass sie die erhöhten Kosten durch eine Weitere Turbine rechtfertigt.
Ein zweiter Bypasspfad, in dem ein zweites Bypassventil angeordnet ist, wobei der Bypasspfad mit dem Kathoden-Abluftpfad verbunden ist und zur Umgehung der zweiten Turbine vorgesehen ist, weist die gleichen Vorteile auf, wie der erste Bypasspfad.
Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn die erste Turbine für einen oberen Lastbereich ausgelegt ist und die zweite Turbine für einen niedrigen Lastbereich ausgelegt ist, da durch die zwei unterschiedlich ausgelegten Turbinen eine variable Turbinengeometrie approximiert werden kann. Ein komplexer Verstellmechanismus, wie bei einer variablen Turbinengeometrie, ist nicht erforderlich, um unterschiedliche Lastbereiche optimal zu bedienen. Dies führt zu einer Reduzierung der Kosten bei der Herstellung, einer höheren Robustheit bei der Turbine, weil auf den Verstellmechanismus verzichtet werden kann. Des Weiteren ist durch die flexible Einkopplung der beiden Turbinen ein breiter Betriebsbereich mit hoher Rekuperationseffizienz möglich, was zu einer Reduzierung des Wasserstoffverbrauches führt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das erste Bypassventil und/oder das zweite Bypassventil abhängig von dem über die erste Turbine und/oder zweite Turbine benötigten Massenstrom geöffnet, geschlossen oder teilweise geöffnet wird. Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle im unteren Lastbereich, insbesondere unter eines ersten vorgegebenen Schwellwertes wird das erste Bypassventil geöffnet wird, und Abgas aus dem Abgaspfad über die zweite Turbine geleitet. Dagegen wird bei einem Betrieb der Brennstoffzelle im oberen Lastbereich, insbesondere oberhalb eines zweiten vorgegebenen Schwellwertes, das zweite Bypassventil geöffnet und Abgas aus dem Abgaspfad über die erste Turbine geleitet.
Da im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Kathoden-Abluftpfad feuchte Luft als Abluft führt, kann durch Einleiten zumindest eines Teils der feuchten Luft in den Kathoden-Zuluftpfad eine Befeuchtung der Kathoden-Zuluft bewirkt werden. Eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung im Kathoden-Zuluftpfad ist somit entbehrlich. Die Befeuchtung der Kathoden-Zuluft dient dem Zweck, ein Austrocknen der protonenleitenden Membran der mindestens einen Brennstoffzelle zu verhindern. Denn, um Protonen leiten zu können, muss die Membran ausreichend feucht sein. Da die Gefahr des Austrocknens im Bereich des Eintritts des Kathoden-Zuluftpfads in die Brennstoffzelle besonders hoch ist, wird in der Regel die Kathoden-Zuluft befeuchtet. Es erfolgt somit zu einer Optimierung des Wassermanagements im Betrieb des Brennstoffzellensystems bei.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Der Fig. 1 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 5 zu entnehmen, die über einen Kathoden-Zuluftpfad 4 mit Sauerstoff versorgbar ist. Hierzu wird Luft aus einer Umgebung 2 angesaugt und über einen optionalen Luftfilter 13 einem mehrstufigen Luftverdichtungssystems 3 zugeführt. Das mehrstufige Luftverdichtungssystem 3 weist eine erste Verdichtungsstufe mit einem ersten Verdichterlaufrad 14 und eine zweite Verdichtungsstufe mit einem zweiten Verdichterlaufrad 24 auf.
Die Brennstoffzelle ist des Weiteren mit einen Kathoden-Abluftpfad 6 verbunden. Der Kathoden-Ablufpfad 6 dienen dazu verbrauchte Luft, Wasser und Abgase aus der Brennstoffzelle an die Umgebung abzugeben. Im Kathoden-Abluftpfad 6 ist eine erste Turbine 11 und eine zweite Turbine 21 angeordnet.
Das erste Verdichterlaufrad 14 und das zweite Verdichterlaufrad 24 ist jeweils auf einer Welle 18 angeordnet, wobei das erste Verdichterlaufrad 14 durch die erste Turbine 11 und das zweite Verdichterlaufrad 24 durch die zweite Turbine 21 antreibbar ist. Das heißt, dass die erste und zweite Verdichtungsstufe durch jeweils einen Abgasturbolader realisiert wird.
Die erste Turbine 11 besitzt ein Turbinenlaufrad, das gemeinsam mit dem Verdichterlaufrad 14 des Abgasturboladers auf der gemeinsamen Welle 15 angeordnet ist. Das Turbinenlaufrad der ersten Turbine 11 wird von Abluft angeströmt wird, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 aus der Brennstoffzelle 5 und/oder aus der zweiten Turbine 21 austritt und über einen Kathoden-Abluftpfad 6 abgeführt wird.
Die zweite Turbine 21 besitzt ein Turbinenlaufrad, das gemeinsam mit dem Verdichterlaufrad 24 des Abgasturboladers auf der gemeinsamen Welle 15 angeordnet ist. Das Turbinenlaufrad der zweiten Turbine 21 wird von Abluft angeströmt wird, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 aus der Brennstoffzelle 5 austritt und über einen Kathoden-Abluftpfad 6 abgeführt wird.
Zusätzlich weist die Welle 18 des ersten Verdichterlaufrads 14 einen Motor 15 auf mit dessen Hilfe das erste Verdichterlaufrad 14 antreibbar ist. Die Welle 18 des zweiten Verdichterlaufrads 24 weist ebenso einen Motor 25 auf, mit dessen Hilfe das zweite Verdichterlaufrad 14 antreibbar ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Kathoden-Abluftpfad 6 einen ersten Bypasspfad 10 auf, in dem ein erstes Bypassventil 17 angeordnet ist. Der erste Bypasspfad 10 dient zur Umgehung der ersten Turbine 11, so dass Abgas aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 an der ersten Turbine 11 vorbeiströmen kann. Das erste Bypassventil 17 kann abhängig vom Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 5 vollständig oder teilweise geöffnet werden oder geschlossen sein. Ist das Bypassventil 17 vollständig geöffnet, strömt die gesamte Abluft an der ersten Turbine 11 vorbei, so dass diese nicht zum Antrieb des ersten Verdichterlaufrades 14 beitragen kann.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Kathoden-Abluftpfad 6 einen ersten Bypasspfad 10 auf, in dem ein erstes Bypassventil 17 angeordnet ist. Der erste Bypasspfad 10 dient zur Umgehung der ersten Turbine 11, so dass Abgas aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 an der ersten Turbine 11 vorbeiströmen kann. Das erste Bypassventil 17 kann abhängig vom Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 5 vollständig oder teilweise geöffnet werden oder geschlossen sein. Ist das Bypassventil 17 vollständig geöffnet, strömt die gesamte Abluft an der ersten Turbine 11 vorbei, so dass diese nicht zum Antrieb des ersten Verdichterlaufrades 14 beitragen kann.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Kathoden-Abluftpfad 6 einen zweiten Bypasspfad 20 auf, in dem ein zweites Bypassventil 27 angeordnet ist. Der zweite Bypasspfad 20 dient zur Umgehung der zweiten Turbine 21, so dass Abgas aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 an der zweiten Turbine 21 vorbeiströmen kann. Das zweite Bypassventil 27 kann abhängig vom Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 5 vollständig oder teilweise geöffnet werden oder geschlossen sein. Ist das Bypassventil 27 vollständig geöffnet, strömt die gesamte Abluft an der zweiten Turbine 21 vorbei, so dass diese nicht zum Antrieb des ersten Verdichterlaufrades 24 beitragen kann.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystem kann das erste Verdichterlaufrad 14 durch den ersten E- Motor 15 und/oder durch die erste Turbine 11 angetrieben werden. Bei einem reinen Antrieb durch den E-Motor 15 ist das erste Bypassventil 17 vollständig geöffnet. Bei einem reinen Antrieb durch die Turbine 11 ist der erste Motor 15 nicht aktiv. Des Weiteren ist eine Kombination eines Antriebs aus erstem Motor 15 und erster Turbine 11 möglich. In diesem Fall ist das erste Bypassventil 17 teilweise geöffnet. Ein analoger Betrieb ist auch beim zweiten Verdichterlaufrad 24 möglich, da dieses den ersten E-Motor 25 und/oder durch die zweite Turbine 21 angetrieben werden. Abhängig von der jeweiligen Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem, kann das erste Bypassventil 17 und/oder das zweite Bypassventil 27 abhängig von dem über die erste Turbine 11 und/oder zweite Turbine 21 benötigten Massenstrom geöffnet, geschlossen oder teilweise geöffnet werden.
Da sowohl das erste Verdichterlaufrad 14 in einem beliebigen Modus durch die Aktoren (erste Turbine 11 und erster E-Motor 15) betrieben werden kann und dass das zweite Verdichterlaufrad 24 in einem beliebigen Modus durch die Aktoren (zweite Turbine 21 und zweiter E-Motor 25) betrieben werden kann, können über die beiden Verdichterstufen des Luftverdichtungssystems 3 alle beliebigen Leistungsanforderungen bedient werden.
Durch die Freiheitsgrade bei den Aktoren kann die Betriebsstrategie dahingehend optimiert werden, dass die Summenleistung PelEAC = PelEACl + PelEAC2, der beiden elektrischen Motoren 15 und 25, für den jeweils angeforderten Gesamtmassenstrom und das jeweils angeforderte Druckniveau über den ganzen Betriebsbereich minimiert wird. Dadurch kann eine signifikante Verbrauchsreduzierung ermöglicht werden, die die Investition von E-Motoren 15, 25 und zwei Turbinen 11,21 aus Kostensicht motiviert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist weist die erste Turbine 11 eine feste Geometrie auf, die bevorzugt für einen oberen Lastbereich ausgelegt ist, während die zweite Turbine 21 eine feste Geometrie aufweist, die bevorzugt für einen niedrigen Lastbereich ausgelegt ist.
Bei dieser weiteren Ausführungsform wird im Betrieb der Brennstoffzelle 1 im unteren Lastbereich das erste Bypassventil 17 geöffnet, so dass Abgas aus dem Abgaspfad nur über die zweite Turbine 21 geleitet wird. Das erste Verdichterlaufrad 14 kann bei Bedarf nur über den ersten E-Motor 15 angetrieben werden. Entsprechend wird bei einem Betrieb im oberen Lastbereich das zweite Bypassventil 27 geöffnet und das Abgas aus dem Abgaspfad nur über die erste Turbine 11 geleitet wird. Das zweite Verdichterlaufrad 24 kann bei
Bedarf nur über den zweiten E-Motor 25 angetrieben werden.
In einer weiteren Ausführungsforum weisen die erste Turbine 11 und die zweite Turbine 21 eine unterschiedliche Geometrie ihrer Laufräder auf, welche für jeweils einen anderen Lastbereich ausgelegt sind, wobei das Laufrad der ersten Turbine 11 für einen unteren Lastbereich optimiert ist und das Laufrad der zweiten Turbine 21 für einen oberen Lastbereich optimiert ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann in einer optionalen Ausführungsform im Kathoden-Zuluftpfad 4 zwei Zwischenkühler 8 aufweisen. Ein erster Zwischenkühler 8 ist zwischen den beiden Verdichterlaufrädern 14, 24 angeordnet ein zweiter Zwischenkühler 8 ist stromabwärts des zweiten Verdichterlaufrades 24 angeordnet. Der erste Zwischenkühler 8 ist optional. Der zweite Zwischenkühler 8 kann auch durch eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung (nicht dargestellt) ersetzt werden. Stromaufwärts des ersten Zwischenkühlers 8 mündet eine Verbindungsleitung 7 in den Kathoden- Zuluftpfad 4, die andernends an den Kathoden-Abluftpfad 6 angeschlossen ist. In der Verbindungsleitung 7 ist zudem ein ansteuerbares Ventil 9 angeordnet. Wird das Ventil 9 geöffnet, strömt aufgrund der vorherrschenden Druckverhältnisse Abluft bzw. feuchte Luft aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 über die Verbindungsleitung 7 in den Kathoden-Zuluftpfad 4. Die Kathoden-Zuluft wird auf diese Weise befeuchtet und gekühlt. Zugleich wird ein Teil der Abluft rezirkuliert und einer Nutzung zugeführt.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (5), die zum Zuführen von Luft an einen Kathoden-Zuluftpfad (4) und zum Abführen von Abluft an einen Kathoden-Abluftpfad (6) angeschlossen ist, wobei im Kathoden-Zuluftpfad (4) ein Luftverdichtungssystem (3) angeordnet ist, das eine erste Verdichtungsstufe mit einem ersten Verdichterlaufrad (14) und eine zweite Verdichtungsstufe mit einem zweiten Verdichterlaufrad (24) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathoden-Abluftpfad (6) eine erste Turbine (11) und eine zweite Turbine (21) angeordnet ist, wobei das erste Verdichterlaufrad (14) durch die erste Turbine (11) und das zweite Verdichterlaufrad (24) durch die zweite Turbine (21) antreibbar ist.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdichterlaufrad (14) mit Hilfe eines ersten Motors (15) und/oder das zweite Verdichterlaufrad (24) mit Hilfe eines zweiten Motors (25) antreibbar ist/sind.
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bypasspfad (10), in dem ein erstes Bypassventil (17) angeordnet ist, mit dem Kathoden-Abluftpfad (6) verbunden ist, wobei der erste Bypasspfad (10) zur Umgehung der ersten Turbine (11) vorgesehen ist.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bypasspfad (20), in dem ein zweites Bypassventil (27) angeordnet ist, mit dem Kathoden-Abluftpfad (6) verbunden ist, wobei der zweite Bypasspfad (20) zur Umgehung der zweiten Turbine (21) vorgesehen ist.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (11) für einen niedrigen Lastbereich ausgelegt ist und die zweite Turbine (21) für einen oberen Lastbereich ausgelegt ist.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kathoden-Zuluftpfad (4) eine Verbindungsleitung (7) mündet, die unmittelbar oder mittelbar mit dem Kathoden-Abluftpfad (6) verbunden ist, so dass über die Verbindungsleitung (7) ein Abluftteilmassenstrom aus dem Kathoden-Abluftpfad (6) in den Kathoden-Zuluftpfad (4) einleitbar ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdichterlaufrad (14) durch den ersten E-Motor (15) und/oder durch die erste Turbine (11) angetrieben wird und dass das zweite Verdichterlaufrad (24) durch den zweiten E-Motor (25) und/oder durch die zweite Turbine (21) angetrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bypassventil (17) und/oder das zweite Bypassventil (27) abhängig von dem über die erste Turbine (14) und/oder zweite Turbine (24) benötigten Massenstrom geöffnet, geschlossen oder teilweise geöffnet wird.
9. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb der Brennstoffzelle (5) im unteren Lastbereich das zweite Bypassventil (27) geöffnet wird, und Abgas aus dem Abgaspfad über die erste Turbine (11) geleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb der Brennstoffzelle (5) im oberen Lastbereich das erste Bypassventil (17) geöffnet wird, und Abgas aus dem Abgaspfad über die zweite Turbine (21) geleitet wird.
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