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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit zwei parallelen Brennstoffzellensystemen, welche jeweils wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit anodenseitiger und kathodenseitiger Peripherie umfassen. Außerdem umfassen sie eine gemeinsame Luftfördereinrichtung.
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Einzelne Brennstoffzellensysteme sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem lässt sich aus der
DE 10 2009 043 569 A1 entnehmen. Dieses System sieht einerseits einen Systembypass zum Verbinden der Druckseite mit der Abluftseite und andererseits eine Verbindung zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite über eine Abblasleitung mit einem sogenannten Abblas- oder Purgeventil vor. Außerdem ist ein in derartigen Brennstoffzellensystemen üblicher Gas/Gas-Befeuchter angedeutet, welcher zur Befeuchtung des Zuluftstroms zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle durch dessen feuchten Abluftstrom dient. Diese Bauteile sind in der Praxis jedoch relativ groß, aufwändig und teuer.
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Zur elektrischen Leistungsversorgung größerer Systeme, beispielsweise zur Leistungsversorgung von elektrischen Antriebssystemen für Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise Omnibusse oder Lkws, kann es nun vorgesehen sein, dass zwei derartige Brennstoffzellensysteme parallel eingesetzt werden. Sie können dann zu einer Brennstoffzellenanlage kombiniert werden, welche vergleichsweise einfach durch den Einsatz von zwei oder mehr kleineren Brennstoffzellensystemen, beispielsweise zwei Pkw-Brennstoffzellensystemen, die für einen Lkw benötigte Leistung liefern. Dies ist, insbesondere bei der Verwendung in Bussen, schon seit längerem bekannt und üblich.
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Problematisch bei solchen Aufbauten ist es nun, dass eine Vielzahl von Komponenten doppelt benötigt wird. Insbesondere betrifft dies die relativ aufwändigen großen und leistungskonsumierenden Komponenten der Luftversorgung sowie aufwändige elektrische Komponenten wie beispielsweise galvanisch getrennte DC/DC-Wandler, welche in solchen Systemen als Hochsetzsteller zur Bereitstellung der erforderlichen Spannung aus den beiden einzelnen Brennstoffzellensystemen benötigt werden.
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Häufig werden zur Luftversorgung bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen sogenannte elektrische Turbolader eingesetzt, welche symmetrisch zu einer elektrischen Maschine auf der einen Seite ein Verdichterrad und auf der anderen Seite eine Turbine aufweisen. Hierdurch lässt sich über die Turbine Leistung aus der Abluft des Brennstoffzellensystems zurückgewinnen. Allerdings ist kritisch, dass die Belastung des elektrischen Turboladers relativ hoch ist und dieser dementsprechend aufwändig aufgebaut werden muss, insbesondere was seine Axiallager betrifft, da das Kräfteverhältnis zwischen dem Turbinenrad einerseits und dem Verdichterrad andererseits hohe Lasten auf die axiale Lagerung verursacht. Ein weiteres Problem beim an sich sinnvollen Einsatz von Strömungsverdichtern liegt in deren Betriebsverhalten, sodass häufig das gewünschte Verhältnis von Volumenstrom zu Druck nicht oder nicht ohne das Abblasen von bereits verdichteter Luft für das jeweilige Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden kann. Auch dies ist unerwünscht und reduziert insbesondere den Gesamtwirkungsgrad des Systems, da bereits verdichtete Luft ungenutzt bleibt, um das gewünschte Verhältnis von Druck und Volumenstrom durch die Strömungsverdichter einstellen zu können.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei parallelen Brennstoffzellensystemen anzugeben, welche insbesondere hinsichtlich der Luftversorgung verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzellenanlage mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die Brennstoffzellenanlage mit den zwei oder mehr parallelen Brennstoffzellensystemen weist eine gemeinsame Luftfördereinrichtung auf. Erfindungsgemäß ist diese Luftfördereinrichtung als zweitstufige Luftfördereinrichtung ausgebildet. Beide Stufen sind dabei in Form von Strömungsverdichtern realisiert, welche jeweils ein Verdichterrad je Stufe aufweisen. Die Verdichterräder für das eine und das andere Brennstoffzellensystem sind dabei symmetrisch zu wenigstens einer elektrischen Maschine auf einer Welle angeordnet. Dies ermöglicht einen Aufbau, bei dem durch die symmetrische Anordnung der Verdichterräder und den dazwischen angeordneten elektrischen Antrieb ein sehr guter Ausgleich von Axialkräften möglich ist. Damit lässt sich der Wirkungsgrad steigern, da die Reibung minimiert werden kann. Außerdem sind einfachere und kleinere Axiallager möglich, was ein weiterer Vorteil ist.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass jede der Stufen eine elektrische Antriebsmaschine und zwei symmetrisch dazu angeordnete Verdichtungsräder jeweils für das eine und das andere Brennstoffzellensystem aufweisen. Bei dieser besonders günstigen Ausgestaltung sind also zwei Strömungsverdichter mit jeweils zwei symmetrisch zur elektrischen Maschine angeordneten Verdichterrädern in der Art einer Registeraufladung in Reihe hintereinander geschaltet. Der Aufbau wird dabei gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der Idee insbesondere isobar betrieben, um so effizient und ohne das bereits verdichtete Luft abgeblasen werden muss, eine gute Luftversorgung der beiden Brennstoffzellensysteme in allen oder zumindest den meisten benötigten Betriebspunkten zu erreichen. Dabei versorgen die Verdichterräder auf der einen Seite der Elektromotoren als zweistufiges System das eine Brennstoffzellensystem und die Verdichterräder auf der anderen Seite der elektrischen Maschinen übernehmen die Luftversorgung des jeweils anderen Brennstoffzellensystems.
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Neben dem verbesserten regulären Betrieb durch die, insbesondere isobar, betriebenen zwei Verdichterstufen je Brennstoffzellensystem ermöglicht der Aufbau in später noch näher beschriebener Art und Weise insbesondere auch eine hohe Flexibilität, da beispielsweise Abgasrückführleitungen, Befeuchtung und dergleichen sowohl vor der einen als auch vor der anderen Stufe und damit zwischen den beiden Stufen platziert werden kann. Die zweite Stufe kann dabei bei abgeschalteter erster Stufe beispielsweise besondere später noch näher beschriebenen Aufgaben übernehmen, um die prinzipielle Funktionsfähigkeit und Lebensdauer der beiden Brennstoffzellensysteme der Brennstoffzellenanlage hochzuhalten, beispielsweise indem Abgas rezirkuliert wird oder ähnliches.
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Gemäß einer weiteren außerordentlich günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage ist es dabei so, dass die Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellensysteme in Reihe verschaltet sind. Dieses elektrische Zusammenfassen der Brennstoffzellensysteme, wobei gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage jedes der Brennstoffzellensysteme zwei Brennstoffzellenstapel aufweist, welche ihrerseits wiederum in Rehe verschaltet sind, ermöglicht den Verzicht auf teure Elemente der Leistungselektronik. So kann durch eine Reihenschaltung von beispielsweise vier Brennstoffzellenstapeln in zwei Brennstoffzellensystemen eine relativ hohe Spannung erzielt werden, wodurch eine einfache gemeinsame Einheit zur Verteilung der Leistung, eine sogenannte Power Distribution Unit PDU, ausreicht und eben keine teuren galvanisch getrennten DC/DC-Wandler benötigt werden, um die Spannung der beiden parallelen Brennstoffzellensysteme, so wie es im Stand der Technik typischerweise der Fall ist, entsprechend hochzusetzen. Der Verzicht auf den DC/DC-Wandler spart dabei Bauraum und Kosten ein. Außerdem kann auf eine Anbindung dieser Leistungselektronik an ein Kühlsystem verzichtet werden, was ebenfalls ein entscheidender Vorteil bezüglich Bauraum und Komplexität sein kann. Darüber hinaus ist es so, dass prinzipbedingt jeder DC/DC-Wandler die ankommende Spannung zerhackt, um diese entsprechend wandeln bzw. stellen zu können. Dies erfolgt zwar in der Praxis mit hoher Frequenz, eine solche zerhackte Spannung bedeutet für Gleichstromkomponenten jedoch immer eine höhere Belastung als eine durchgehend verlaufende kontinuierliche Spannung, wie sie mit der genannten Reihenschaltung zu erreichen ist.
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Der Verzicht auf komplizierte Elemente der Leistungselektronik, welche in einer derartigen Brennstoffzellenanlage doppelt vorhanden sein müssen und dementsprechend teuer und aufwändig sind und viel Platz benötigen, wird bei der angesprochenen elektrischen Reihenschaltung der Brennstoffzellenstapel auch dadurch möglich, dass diese dann mit einem konstanten Brennstoffzellenstrom betrieben werden können. Die Spannung lässt sich entsprechend der geforderten Betriebspunkte dann alleine über die Stöchiometrie beeinflussen. Hierzu kann über die zweistufige Luftversorgung der Luftfördereinrichtung der Sauerstoffgehalt durch eine Erhöhung der Luftmenge entsprechend gesteigert werden. Besteht daneben noch die Möglichkeit einer Abgasrückführung auf der Kathodenseite sowie, wie es unten noch näher beschrieben ist, gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die Möglichkeit Sauerstoff auch aktiv aus der Kathodenseite abzusaugen, entsteht eine große Bandbreite der Variationsmöglichkeiten bei der Stöchiometrie. Dies reicht für den praktischen Betrieb vollständig aus, sodass die angesprochene Leistungselektronik der beiden Brennstoffzellensysteme durch die angesprochene sehr einfache gemeinsame PDU ersetzt werden kann.
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Wenigstens einer der Brennstoffzellenstapel, insbesondere die Brennstoffzellenstapel eines der Brennstoffzellensysteme, weist dabei parallel zu dem oder den Brennstoffzellenstapeln eine Freilaufdiode auf, sodass ein Betrieb auch im Falle des Ausfalls eines der Brennstoffzellensysteme, dann jedoch mit reduzierter Spannung, möglich ist, sodass beispielsweise ein mit einer solchen Brennstoffzellenanlage ausgestatteter Lkw zumindest noch eine Notfunktionalität bieten kann, um beispielsweise eine Werkstatt oder im autonomen Betrieb einen Hub anzufahren, um die Brennstoffzellenanlage entsprechend zu kontrollieren und/oder zu warten.
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Ein sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage kann es vorsehen, dass der Aufbau jedes Brennstoffzellensystems einen sogenannten Anodenkreislauf aufweist, welcher zur Rezirkulation von unverbrauchtem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, dient. Dieser wird um den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels oder der zwei in jedem der Brennstoffzellensysteme elektrisch in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapel rezirkuliert, also vom Ausgang des Anodenraums zum Eingang zurückgeführt. Im Falle von zwei Brennstoffzellenstapel je Brennstoffzellensystem sind diese dafür fluidisch parallel verschaltet. Über den Anodenkreislauf wird in an sich bekannter Art und Weise in den meisten Betriebssituationen Abgas mit frischem Wasserstoff vermischt dem Anodenraum erneut zugeführt. Jedes der Brennstoffzellensysteme umfasst außerdem einen Kathodenbypass, also z.B. eine Leitung, welche parallel zur Kathode ausgebildet ist.
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Bei dieser sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage ist es nun so, dass dieser Kathodenbypass vor oder im Bereich einer Ventileinrichtung in der Zuluftleitung aus dieser abzweigt und nach oder im Bereich einer weiteren Ventileinrichtung in die Abluftleitung mündet. All dies kann dabei systemseitig um den Kathodenraum des oder der Brennstoffzellenstapel aufgebaut sein. Es kann jedoch auch ganz oder teilweise in diese und/oder deren Gehäuse integriert werden. Der Kathodenraum des einen Brennstoffzellenstapels oder die fluidisch parallel verschalteten Kathodenräume der beiden elektrisch in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapel werden nachfolgend zur Vereinfachung nur noch als „Kathodenraum“ bezeichnet. Dies erfolgt beim „Anodenraum analog“.
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Mit den beschriebenen Ventileinrichtungen lässt sich der Kathodenraum absperren und die eigentlich dem Kathodenraum zuströmende und ihn durchströmende Luft lässt sich durch den Kathodenbypass leiten. Mischformen dieser beiden Betriebszustände sind denkbar, möglich und häufig auch sinnvoll. Dabei ist in dem Kathodenbypass eine von der um den Kathodenraum strömenden Luft angetriebene Gasstrahlpumpe angeordnet. Die Gasstrahlpumpe wird also für den Fall, dass Luft um den Kathodenraum herumgeleitet wird, von dieser Luft als Treibstrahl angetrieben. Die Gasstrahlpumpe ist saugseitig jeweils schaltbar sowohl mit dem Anodenraum als auch mit dem Kathodenraum verbunden. Damit lassen sich Gase sowie gegebenenfalls Flüssigkeit aus dem Volumen des Anodenraums oder des Anodenkreislaufs ebenso absaugen wie aus dem Volumen des Kathodenraums. Im Idealfall erfolgt die Absaugung dabei relativ gleichmäßig, um zu hohe Druckdifferenzen zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum zu vermeiden und damit die Membranen zu schonen. Die Möglichkeit, über den Kathodenbypass mit der Gasstrahlpumpe Gas sowohl aus dem Anodenraum als auch aus dem Kathodenraum, jeweils wahlweise oder gemeinsam, absaugen zu können, schafft eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten.
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Hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus des jeweiligen Brennstoffzellensystems kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee ferner vorgesehen sein, dass in dem Anodenkreislauf ein Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung von einer Abluftturbine in der Abluftleitung angetrieben ist. Bei dem jeweiligen Brennstoffzellensystem der Brennstoffzellenanlage kann so Energie in der Abluft genutzt werden. Anders als bei vielen herkömmlichen Brennstoffzellensystemen soll diese Energie dabei nicht in einem elektrischen Turbolader zum Unterstützen der Verdichtung der Zuluft genutzt werden, sondern zur Rezirkulation der Anodenabgase in dem Anodenkreislauf.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage sieht es außerdem vor, dass in jedem der Brennstoffzellensysteme wenigstens ein Befeuchter in der Zuluft vor und/oder nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist, welcher insbesondere in Form einer Ein- oder Zwei-Stoffdüse ausgebildet ist. Die Befeuchter können also einfach in Form einer Ein- oder Zweistoffdüse ausgebildet sein.
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Diese Befeuchter können dabei in der Zuluft vor und/oder nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet sein. Hierdurch wird auch die Verdichtung durch das eingespritzte Wasser, beispielsweise fein zerstäubtes Wasser aus einer Zweistoffdüse, entsprechend feucht und durch die die eigentliche Wasserdüse umströmende Luft in der Zweistoffdüse zerstäubt. Dieses zerstäubte Wasser hilft dabei die beim Verdichten heiß werdende Luft abzukühlen und wird dabei in der Luft verdampft, sodass diese ideal befeuchtet ist. Insbesondere bei einem elektrischen Antrieb der entsprechenden Befeuchter kann eine Befeuchtung unabhängig vom Betrieb der Brennstoffzelle erfolgen, was ein weiterer ganz entscheidender Vorteil gegenüber einem viel aufwändigeren, größeren und teureren Gas/Gas-Befeuchter ist, welcher durch diesen Aufbau eingespart werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung.
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Die in der Figur dargestellte Brennstoffzellenanlage 1 umfasst eine gemeinsame Luftfördereinrichtung 2, welche hier in Form von zwei in zwei Stufen nacheinander geschalteten Strömungsverdichtern 3, 4 ausgebildet wird. Jeder der beiden Strömungsverdichter 3, 4 umfasst eine elektrische Antriebsmaschine 5, 6 sowie zusammen mit der jeweiligen elektrischen Antriebsmaschine 5, 6 auf jeweils einer gemeinsamen Welle 7 angeordnet zwei symbolisch dargestellte Verdichterräder 8, 9 auf der einen, hier der linken, und 10, 11 auf der anderen, hier der rechten Seite. Die Ansaugluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen gemeinsamen Luftfilter 12 zu den Verdichterrädern 9, 11 der ersten Stufe. Der Luftfilter 12 kann beispielsweise als Aktivkohlefilter aufgebaut sein bzw. insbesondere einen solchen umfassen, um die Brennstoffzellenanlage nicht nur vor Partikeln und Staub sondern auch vor unerwünschten chemischen Belastungen in der Zuluft zu schützen.
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Die beiden Strömungsverdichter 3, 4 können beispielsweise magnetisch gelagert sein. Sie sind in zwei Stufen und damit auf jeder ihrer Seiten in Reihe hintereinandergeschaltet und werden isobar betrieben. Die rechte Seite des Aufbaus mit den Verdichterrädern 8, 9 versorgt ein erstes Brennstoffzellensystem 13 mit Luft. Die andere Seite mit den Verdichterrädern 10, 11 versorgt ein identisch aufgebautes Brennstoffzellensystem 14 auf der anderen Seite der Figur. Jedes dieser beiden Brennstoffzellensysteme 13, 14 umfasst dabei zwei Brennstoffzellenstapel 15, 16 und 17, 18, welche fluidisch, also bezüglich der Versorgung mit Luft und Wasserstoff, innerhalb jedes der Brennstoffzellensysteme 13, 14 parallel zueinander verschaltet sind und beispielsweise Wasserstoff aus einer gemeinsamen hier aber doppelt dargestellten und jeweils mit 19 bezeichneten Wasserstoffquelle beziehen, welche insbesondere als Aufbau aus einer Vielzahl von Druckgasspeichern, Kryo-Speichern, Metallhydrid-Speichern oder prinzipiell auch Anlagen zur On-Bord-Wasserstofferzeugung ausgebildet sein können.
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Elektrisch sind die jeweiligen Brennstoffzellenstapel 15, 16 des einen Brennstoffzellensystems 13 und die Brennstoffzellenstapel 17, 18 des anderen Brennstoffzellensystems 14 allesamt in Reihe verschaltet, wie es hier durch die schematisch angedeutete elektrische Anbindung an eine mit 21 bezeichnete beispielhafte Batterieanlage zur Hybridisierung der Brennstoffzellenanlage 1 angedeutet ist. Über eine Sperrdiode 20 wird - im Falle einer höheren Batteriespannung ein zu den Brennstoffzellenstapeln 15, 16 und 17, 18 fließender Strom, welcher dort eine Elektrolyse verursachen würde, unterbunden. Zumindest eines der Brennstoffzellensysteme 13, 14 vorzugsweise jedoch beide, verfügen parallel zu den in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstapeln 15, 16 und 17, 18 über jeweils eine mit 22 bezeichnete Freilaufdiode. Damit lässt sich eines der Brennstoffzellensysteme 13, 14 falls diese ausfällt für einen Notfallbetrieb überbrücken.
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Auf den Aufbau des Brennstoffzellensystems 13, welches ebenso wie das Brennstoffzellensystem 14 hier rein beispielhaft und vereinfacht dargestellt ist, wird nachfolgend näher eingegangen. Die beiden Brennstoffzellensysteme 13, 14 sind dabei identisch zueinander ausgebildet und hier gespiegelt dargestellt, wobei beide Brennstoffzellensysteme 13, 14 eigene Peripheriebauteile und Komponenten auf der Kathoden- und Anodenseite nutzen, beispielsweise Wasserabscheider, einen Anodenkreislauf, einen Kathodenkreislauf, ein Anodenrezirkulationsgebläse und dergleichen. Sie können dabei über ein gemeinsames Wasserversorgungssystem 23 verfügen, auf welches bei der nachfolgenden Erläuterung noch näher eingegangen wird.
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In der Luftfördereinrichtung 2 sind die Verdichterräder 8,10 und 9, 11 beider Stufen symmetrisch ausgestaltet und die jeweilige elektrische Maschine 5, 6 als Antrieb liegt dazwischen auf der jeweils selben Welle 7. Hierdurch werden Kräfte, welche in Axialrichtung auf die jeweils gemeinsame Welle 7 wirken, minimiert. Dies hilft einerseits zur Reduzierung von Reibleistungsverlusten und erlaubt andererseits eine einfache und effiziente Ausgestaltung von Axiallagern. Über einen gemeinsamen Ansaugweg oder optional dazu auch über zwei getrennte Ansaugwege wird von den Verdichterrädern 8, 10 des ersten Strömungsverdichters 3 Luft durch den Luftfilter 12 angesaugt.
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Vom Verdichterrad 8 und 10 gelangt die verdichtete Luft über jeweils eine Registerleitung 24, 25 zu dem Verdichterrad 9 und 11 des zweiten Strömungsverdichters 4. Von dort aus gelangt die nun noch stärker verdichtete Zuluft über Zuluftleitungen 26, 27 zu den Brennstoffzellensystemen 13, 14. Es handelt sich also um eine Registeraufladung. Die beiden Strömungsverdichter 3, 4 arbeiten insbesondere isobar. Zusätzlich ist eine Bypassleitung 28 mit jeweils einem Ventil 29, 30 an der jeweiligen Registerleitung 24, 25 vorgesehen, welche es prinzipiell ermöglicht verdichtete Luft zwischen den Stufen umzublasen.
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Die nachfolgenden Erläuterungen erfolgen nun nur noch anhand des Rechts der strichpunktieren Trennlinie dargestellten Brennstoffzellensystem 14, sodass auch nur in dessen Bereich die Bauteile, die sich so identisch auch im anderen Brennstoffzellensystem 13 wiederfinden, mit einem Bezugszeichen versehen sind.
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Das Brennstoffzellensystem 14 umfasst die beiden Brennstoffzellenstapel 17, 18, welche typischerweise ein Stapel von Einzelzellen sind. Sie sind elektrisch in Reihe und fluidisch parallel verschaltet. Dies gilt für die Brennstoffzellenstapel 15, 16 des anderen Brennstoffzellensystem 13 analog. Anders als die nachfolgend beschriebenen Komponenten tragen diese aufgrund der obigen Erläuterung der elektrischen Verschaltung noch eigene Bezugszeichen. Die beiden Brennstoffzellenstapel 17, 18 umfassen jeweils einen ein Anodenraum 31 und ein Kathodenraum 32. Dies sind in beiden Brennstoffzellenstapeln 17, 18 mit denselben Bezugszeichen versehen und wirken durch die fluidisch parallele Verschaltung quasi wie jeweils ein Anodenraum 31 und ein Kathodenraum 32. Nachfolgend wir daher auch immer nur von ein Anodenraum 31 bzw. Kathodenraum 32 gesprochen auch wenn jeweils beide damit gemeint sind.
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Über die Luftfördereinrichtung 2 mit ihren zwei Stufen wird nun der Kathodenraum 32 über die Zuluftleitung 27 mit Luft versorgt. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 33 zu einer mit 34 bezeichneten Ventileinrichtung, wobei diese Ventileinrichtung 34 auch als Abluft- beziehungsweise Abgasrückführventil 34 bezeichnet werden könnte. Wahlweise kann über diese Ventileinrichtung 34 die Abluft aus der Abluftleitung 33 ganz oder teilweise über eine Abluftrückführleitung 35 in die Bypassleitung 28 und von dort in die Registerleitungen 24, 25 zurückgeleitet werden, oder über den mit 36 bezeichneten Teil der Abluftleitung zu einer Abluftturbine 37, welche später noch näher erläutert wird.
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Der Anodenraum 31 wird mit Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher 19 versorgt. Über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 38 gelangt dieser Wasserstoff in den Anodenraum 31. Über einen Anodenkreislauf mit einer mit 39 bezeichneten Rezirkulationsleitung, in welcher ein Wasserabscheider 40 angeordnet sein kann, gelangt Abgas vom Ausgang des Anodenraum 31 zu dessen Eingang zurück und strömt, in den meisten Betriebszuständen vermischt mit frischem Wasserstoff in den Anodenraum 31. In der Rezirkulationsleitung 39 kann in an sich bekannter Art und Weise alternativ oder ergänzend zu einer - nicht dargestellten - Gasstrahlpumpe ein Rezirkulationsgebläse 41 angeordnet sein. In den Wasserabscheider 40 oder auch alternativ in einem anderen Bereich der Rezirkulationsleitung 39 ist dabei eine Abblasleitung 42 mit einem ein sogenanntes Abblasventil oder Purgeventil 43 bzw. Purge-/Darinventil angeordnet, über welches beispielsweise in Abhängigkeit der Zeit, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 39, oder auch in Abhängigkeit anderer Parameter, Gas aus der Rezirkulationsleitung 39, gegebenenfalls zusammen mit Wasser aus dem Wasserabscheider 40, abgelassen wird.
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In diesem Aufbau des Brennstoffzellensystems 14 ist es nun möglich, über die Abgasrückführleitung 35 bei entsprechender Stellung der Ventileinrichtung 34 feuchte Abluft ganz oder teilweise zurückzuführen, sodass die Befeuchtung der Zuluft in der Zuluftleitung 27 zu dem Kathodenraum 32 der Brennstoffzellenstapel 17, 18 unterstützt wird. Dies kann alternativ oder insbesondere ergänzend zu der Verwendung des Flüssigwassersystems 23, welches später noch näher erläutert ist, dazu beitragen, dass auf einen herkömmlichen Gas/Gas-Befeuchter verzichtet werden kann.
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Anders als bei herkömmlichen elektrischen Turboladern, bei denen die Druckenergie aus dem Brennstoffzellensystem 14 entspannt wird und zusätzlich zur Unterstützung des Antriebs des Luftverdichters dient, kann dieser Druck hier nicht für die Luftfördereinrichtung 2 genutzt werden. Anstelle eines elektrischen Antriebs des Rezirkulationsgebläses 41, wie es typischerweise vorgesehen ist, ist es hier nun so, dass die Abluft aus dem Kathodenraum 32 über die im Abschnitt 36 der Abluftleitung 33 angeordnete Abluftturbine 37 strömt, welche mit dem Rezirkulationsgebläse 41 leistungsübertragend gekoppelt ist, was hier in Form einer gemeinsamen Welle angedeutet ist. Hierdurch ist es möglich, über die in der Abluft des Kathodenraums 32 der enthaltene Energie das Rezirkulationsgebläse 41 anzutreiben, um so diese Energie wieder zurückzugewinnen und damit das Gesamtsystem energieeffizienter zu machen. Besonders günstig ist es dabei wenn die Kopplung zwischen der Abluftturbine 37 und dem Rezirkulationsgebläse 41 magnetisch erfolgt. Dadurch können die beiden Volumen, welche ja einerseits Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltiges Gas und andererseits Luft führen leicht hermetisch gegeneinander abgedichtet werden. In der Figur ist dies durch die beiden Striche im Bereich der Welle angedeutet.
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Vorteilhaft für den hier gezeigten Aufbau des Brennstoffzellensystems 14 ist es nun, dass sowohl in der Zuluftleitung 27 als auch in der Abluftleitung 33, und zwar hier jeweils relativ dicht an dem Kathodenraum 32, eine Ventileinrichtung 44 in Strömungsrichtung vor dem Kathodenraum 32 und eine Ventileinrichtung 45 in Strömungsrichtung nach dem Kathodenraum 32 angeordnet ist. Diese Ventileinrichtungen 44, 45 können vorzugsweise, und so ist es hier dargestellt, als 3/2-Wege-Ventile ausgebildet sein. Im Wesentlichen könnten sie jedoch auch durch eigenständige Ventileinrichtungen realisiert werden, welche sowohl in der Zuluftleitung 27 als auch in der Abluftleitung 33 angeordnet sind, und welche außerdem in einem Kathodenbypass 46 angeordnet wären. Im Wesentlichen geht es darum, dass über die Ventileinrichtungen 44, 45 der Kathodenbypass 46 schaltbar wird, und zwar bei abgeschlossenem Kathodenraum 32 bzw. abgeschlossenem den Kathodenraum 32 umfassenden Volumen. Der Kathodenbypass 46 ist anders als ein reiner Systembypass mit einer Gasstrahlpumpe 47 versehen, welche beispielsweise in der Art eines Venturi-Rohrs ausgebildet sein kann. Jede andere Art von Gasstrahlpumpe bzw. Ejektor oder Jet-Pump ist jedoch ebenso denkbar, so lange durch Unterdruckeffekte und/oder Impulsaustausch von der um den Kathodenraum 32 strömenden Luft als Treibgasstrom Gase angesaugt werden können. Saugseitig ist die Gasstrahlpumpe 47 dafür mit der Abblasleitung 42 verbunden, welche über das Purgeventil 43 schaltbar ist, um die Rezirkulationsleitung 39 mit der Gasstrahlpumpe 47 zu verbinden. Damit kann Flüssigkeit und insbesondere Gas aus dem Anodenkreislauf und damit auch aus dem Anodenraum 31 abgesaugt werden. Da der Anodenkreislauf ansonsten dicht ausgebildet ist und bei abgestellter Wasserstoffversorgung ein geschlossenes Volumen ausbildet, lässt sich hierdurch ein Unterdruck in dem Anodenkreislauf erreichen, was aus den später noch erläuterten Gründen sehr günstig ist.
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Die Gasstrahlpumpe 47 ist außerdem saugseitig über eine Kathodenstichleitung 48 und ein darin angeordnetes Kathodenabsaugventil 49 mit dem Kathodenraum 32 bzw. dem zwischen Ventileinrichtungen 44, 45 liegenden den Kathodenraum 32 umfassenden Volumen verbunden. Die Kathodenstichleitung 48 kann dabei sowohl vor als auch nach dem Kathodenraum 32, also mit Mündung in die Zuluftleitung 27 oder die Abluftleitung 33, angeordnet sein. Prinzipiell wäre auch ein direkter Anschluss an die Brennstoffzellenstapel 17, 18 denkbar, dieser ist technisch jedoch weitaus aufwändiger als ein Abzweigen aus der entsprechenden Leitung 27, 33. Auch hier lässt sich nun bei durchströmtem Kathodenbypass 46 durch die Gasstrahlpumpe 47 bei geöffnetem Kathodenabsaugventil 49 Gas aus dem Kathodenraum 32 absaugen, was bei geschlossenen Ventileinrichtungen 44, 45 dazu führt, dass auch in dem Kathodenraum 32 ein Unterdruck erzeugt werden kann. Auch dies wird später hinsichtlich der besonders vorteilhaften Nutzung noch näher erläutert.
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Das Rezirkulationsgebläse 41, welches durch die Turbine 37 in dem mit 36 bezeichneten Teil der Abluftleitung 33 angetrieben wird, lässt sich bei Bedarf auch über einen Turbinenbypass 50 umgehen. Dieser weist eine Drosselstelle 51 auf. Über eine Ventileinrichtung 52, welche auch hier wieder als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist, kann so die Abluftturbine 37 von der Abluft umgangen werden, sodass das Rezirkulationsgebläse 41 nicht angetrieben wird. Für den umgekehrten Fall, dass das Rezirkulationsgebläse 41 angetrieben werden soll, während die Brennstoffzellen 17, 18 des Brennstoffzellensystems 14 nicht mit Luft versorgt werden, ist eine weitere Ventileinrichtung 53 vorgesehen, welche über eine Leitung 54 mit dem Teilabschnitt 36 der Abluftleitung 33 verbunden ist und so die direkte Eindüsung von Luft in den Bereich der Abluftturbine 37 ermöglicht. Die Leitung 54 bildet also einen „klassischen“ Systembypass aus.
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Das bereits angesprochene Flüssigwassersystem 23 kann vorzugsweise mit Wasser befüllt werden, welches aus dem Brennstoffzellensystem 14 zurückgewonnen wird. Das Brennstoffzellensystem 14 verfügt typischerweise über den Wasserabscheider 40 in der Rezirkulationsleitung 39 sowie einen weiteren Wasserabscheider 55 im Bereich der Abluftleitung 33, und hier möglichst vor der Abluftturbine 37. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 14 gelangt dabei das Wasser des Wasserabscheiders 40 über die Gasstrahlpumpe 47 und den Kathodenbypass 46 ebenfalls in den Wasserabscheider 55. Alternativ dazu wäre auch eine parallele Leitung vom Wasserabscheider 40 beispielsweise in den Wasserabscheider 55 oder direkt in einen Wassertank 57 des Flüssigwasserssystems 23 denkbar, in welchem sich dann das gesamte Wasser aller Wasserabscheider 40, 55 des Brennstoffzellensystems 14 und ebenso des Brennstoffzellensystem 13 sammelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dafür ausgehend von dem Wasserabscheider 55 eine mit 56 bezeichnete Wasserleitung dargestellt, welche im Bereich des Flüssigwassersystems 23 zeichnerisch wieder aufgegriffen wird und in dem mit 57 bezeichneten Wassertank mündet. Wie es über den Wärmetauscher 58 in dem Wassertank 57 angedeutet ist, kann dem Wasser Wärme zugeführt werden, beispielsweise über eine elektrische Beheizung. Insbesondere kann diese durch die Freilaufdioden 22 bzw. deren Kühlung ausgebildet werden sowie durch die ergänzende Kühlung von weiteren hier nicht dargestellten leistungselektronischen Komponenten, wie beispielsweise einer gemeinsamen PDU für die Brennstoffzellenstapel 15, 16, 17, 18 der beiden Brennstoffzellensysteme 13, 14.
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Das in dem Wassertank 57 gespeicherte Wasser hat im Idealfall eine Temperatur von ca. 80° C, der Wassertank 57 verfügt daher vorzugsweise über eine - nicht dargestellte thermische Isolierung, um ein unnötiges und schnelles Auskühlen des Wassertanks 57 zu verhindern. Auf den isolierten Wassertank 57 folgt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Flüssigwassersystems 23 eine mit 60 bezeichnete Wasseraufbereitung, welche entsprechende Wasserfilter und lonentauscher aufweisen kann. Das aus den beiden Brennstoffzellensystemen 13, 14 gesammelte Flüssigwasser wird dann zur Befeuchtung der zu den Brennstoffzellenstapeln 15, 16, 17, 18 strömenden Zuluft eingesetzt. Die Erläuterung erfolgt wieder nur auf der Seite des Brennstoffzellensystems 14 und ist beim Brennstoffzellensystem 13 analog zu verstehen. Über die Zuleitung 61, welche beispielsweise als Druckwasserleitung in der Art einer Common Rail ausgebildet sein kann und über eine Wasserpumpe 59 mit Wasser aus dem Wassertank 57 versorgt wird, werden zwei Zweigleitungen 62, 63 mit Wasser versorgt, welche jeweils schaltbar über die mit 64, 65 bezeichneten Ventile Wasser zum Befeuchter 67 in der Registerleitung 24 und einem Befeuchter 68 in der Zuluftleitung 27, also nach dem zweiten Strömungsverdichter 4, fördern.
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Jeder der Befeuchter 67, 68 ist bevorzugt als einfacher das Wasser mit einem Einstoffdüse oder einer Zweistoffdüse zerstäubender Befeuchter ausgebildet. Er kann beispielsweise mit elektrischer Energie, und damit unabhängig vom Betrieb der Brennstoffzellenanlage 1 betrieben und hinsichtlich der Befeuchtung gesteuert werden. Damit kann nun zusammen mit der Abgasrückführung im Betrieb auf einen aufwändigen herkömmlichen Gas/Gas-Befeuchter verzichtet werden. Dieser Aufbau des Flüssigwassersystems 23 wird so ähnlich auch bei verbrennungsmotorischen Antrieben, insbesondere Verbrennungsmotoren mit Benzineinspritzung, eingesetzt. Die Komponenten wie die Wasserpumpe 59, der beheizbare Wassertank 57 sowie die Befeuchter 67, 68 sind daher am Markt als ausreichend erprobte Teile in großer Stückzahl und dementsprechend kostengünstig verfügbar.
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Ein solches Brennstoffzellensystem 14, und analog natürlich auch das Brennstoffzellensystem 13, mit dem Kathodenbypass 46 und der darin angeordneten von der parallel zum Kathodenraum 32 strömenden Luft angetriebenen Gasstrahlpumpe 47, welche schaltbar sowohl den Kathodenraum 32 als auch den Anodenraum 31 absaugen kann, ermöglicht nun zahlreiche vorteilhafte Möglichkeiten, über welche einige Probleme gelöst werden können, welche bei bisherigen Brennstoffzellensystemen nicht oder nicht vergleichbar zu lösen waren und die Sicherheit und insbesondere die Langlebigkeit der Einzelzellen in den Brennstoffzellenstapeln 15, 16, 17, 18 nachteilig beeinflusst haben.
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Wie bereits erwähnt, erlaubt ein solches Brennstoffzellensystem 14 nun besondere Vorteile bei der Betriebsführung. Bei entsprechend eingestelltem Abgasrückführventil 34 lässt sich beim Betrieb des zweiten Strömungsverdichters 4 dessen Verdichterrad 11 nutzen, um eine Rezirkulation von Abluft um den Kathodenraum 32 zu realisieren. Dabei kann gleichzeitig ein Teil dieser rezirkulierten Luft durch den Kathodenbypass 46 und damit durch die Gasstrahlpumpe 47 strömen. Dies ermöglicht es beispielsweise Gase aus dem Anodenraum 31 und/oder dem Kathodenraum 32 abzusaugen, wenn dementsprechend das Purgeventil 43 bzw. das Kathodenabsaugventil 49 geöffnet sind. Verschiedene Anwendungszwecke sind dabei denkbar. Beispielsweise kann im Falle eines Unfalls, wenn Crashsensoren eines hier nicht dargestellten die Brennstoffzellenanlage 1 vorzugsweise aufweisenden Nutzfahrzeugs diesen Unfall erkennen, die Wasserstoffversorgung gestoppt werden. Mit dem restlichen Volumenstrom beim Austrudeln der Strömungsverdichter 3, 4 kann dann Gas aus dem abgesperrten Kathodenraum 32 und dem Anodenkreislauf und damit aus dem Anodenraum 31 abgesaugt werden. Dadurch lässt sich die (Leerlauf-)Spannung der Brennstoffzellenstapel 15, 16, 17, 18 bei abgeworfener Last und auf null reduziertem Strom sehr schnell reduzieren, um so eine Gefährdung von Insassen des Fahrzeugs und Rettungskräften zu verhindern. Vergleichbares gilt auch für die Reaktion auf das Betätigen eines Not-Aus Schalters oder eines erkannten Notfalls in der Brennstoffzellenanlage 1 selbst. Auch bei stationären Brennstoffzellenanlagen kann dies analog angewandt werden.
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Ferner kann der Sauerstoffgehalt in den Brennstoffzellenstapeln 15, 16, 17, 18 reduziert werden, um die Zellspannung zu begrenzen, wofür eine entsprechende Menge an an Sauerstoff abgereicherter Abluft über das Abgasrückführventil 34 und die Abgasrückführleitung 35 zurückgeführt wird und dabei außerdem die Befeuchtung der Zuluft unterstützt. Reicht dies nicht aus, kann bei Bedarf auch, indem ein Teil der Zuluft über den Kathodenbypass 46 und die Gasstrahlpumpe 47 geführt wird, bei geöffnetem Kathodenabsaugventil 49 Sauerstoff aktiv aus dem Kathodenraum 32 abgesaugt werden, um die Spannung in den Einzelzellen noch zuverlässiger steuerbar zu beschränken.
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Diese Möglichkeit, die Stöchiometrie der einzelnen Brennstoffzellenstapel 15, 16, 17, 18 quasi nach unten zu beeinflussen, kann andererseits durch die beiden Stufen der Luftfördereinrichtung 2 auch umgekehrt werden. Hierdurch ist es nämlich möglich, relativ viel Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und damit die Stöchiometrie in den Brennstoffzellenstapeln 15, 16, 17, 18 in die andere Richtung zu beeinflussen. Die Möglichkeit in der Brennstoffzellenanlage 1 nun einen großen Einfluss auf die Stöchiometrie durch eine Anpassung und Beeinflussung der Luftversorgung nehmen zu können, ermöglicht zusammen mit der oben bereits beschriebenen parallelen fluidischen und elektrischen Reihenschaltung der Brennstoffzellenstapel 15, 16, 17, 18 der beiden Brennstoffzellensysteme 13, 14 den Verzicht auf aufwändige Leistungselektronik. Vielmehr kann alleine über die Stöchiometrie der bei den vier genannten Brennstoffzellenstapeln 15, 16, 17, 18 beispielsweise aus 980 Einzelzellen bestehende Aufbau der Brennstoffzellenanlage bezüglich der Spannung gesteuert werden. Dies bedeutet also, dass sich bei einem konstanten Strom aus den Brennstoffzellenstapeln 16, 16, 17, 18 der Brennstoffzellenanlage 1 die bereitgestellte und benötigte Spannung entsprechend der geforderten Betriebspunkte alleine über die Stöchiometrie einstellen lässt. Dabei kann sowohl eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts durch die beiden isobar betriebenen Strömungsverdichter 3, 4 realisiert werden, als auch eine Verringerung des Sauerstoffgehalts bei der Versorgung des Kathodenraums 32 durch die oben geschilderten Maßnahmen der Abgasrückführung bis hin zum aktiven Absaugen von sauerstoffhaltigem Gas aus dem Kathodenraum 32.
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Zwei ganz entscheidende Punkte zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 14 beziehen sich dabei auf eine Vorbereitung eines Gefrierstarts, eine sogenannte FSU (Freeze Start Up) Preparation. Dadurch, dass es möglich ist, den Druck im Anodenraum 31 und im Kathodenraum 32 abzusenken, beispielsweise auf bis zu 100 mbar, lässt sich sowohl im Anodenraum 31 als auch im Kathodenraum 32 vorhandenes Wasser zu verdampfen und über die Gasstrahlpumpe 47 aktiv abzusaugen. Dies kann beispielsweise in einem Temperaturfenster von 25 bis 35° C der Brennstoffzellenstapel 17, 18 erfolgen. Anders als bei höheren Temperaturen wird dabei ein Austrocknen der Membranen weitgehend verhindert, sodass die Brennstoffzellestapel 17, 18 sehr schonend getrocknet werden können. Fallen die Temperaturen später unter den Gefrierpunkt, kann ein Einfrieren der Brennstoffzellenstapel 17, 18 über ein gewolltes oder tolerierbares Maß hinaus verhindert werden. Steigen die Temperaturen wieder über den Gefrierpunkt, dann kann, auch ohne dass die Brennstoffzellenstapel 17, 18 aktiv gestartet werden, eine aktive Befeuchtung vorgenommen werden, da über das Flüssigwassersystem 27 flüssiges Wasser zur Verfügung steht und beispielsweise über den Befeuchter 68, welcher insbesondere als elektrisch betriebener Befeuchter mit Einstoffdüse ausgebildet sein kann, einfach und effizient in die Zuluft eingebracht werden kann. Diese kann, wie bereits erwähnt, über die Abgasrückführventil 34 im Kreislauf geführt werden, um so die Membranen einerseits ausreichend feucht zu halten und andererseits jederzeit auf einen Gefrierstart vorbereitet zu sein.
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Eine bisher übliche Strategie, um die Vorbereitung auf den Start vorzunehmen, sieht es vor, eine möglichst lange Zeit zu erreichen, in der eine Luft/Wasserstoff-Front beim Start des Brennstoffzellensystems im Anodenraum 31 verhindert wird. Diese tritt immer dann auf, wenn der Wasserstoff aus dem Anodenraum 31 diffundiert ist und Luft eingedrungen ist. Wird nun frischer Wasserstoff nachdosiert, kommt es zu dieser gefürchteten Front, welche die Anode entsprechend schädigt und die Lebensdauer der Brennstoffzellenstapel 17, 18 außerordentlich nachteilig und stark beeinflusst. Das Brennstoffzellensystem 14 in der hier dargestellten Ausführungsvariante hat nun mehrere Möglichkeiten einen solchen Air/Air-Start zu verhindern.
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Die erste Möglichkeit besteht darin, dass der Kathodenraum 32 entsprechend evakuiert werden kann. Liegt in diesem kein Sauerstoff vor, kann die Front ihre schädigende Wirkung auch dann nicht entfalten, wenn auf der Anodenseite Sauerstoff vorliegt und durch beim Start einströmenden Wasserstoff verdrängt wird. Diese einfache Möglichkeit kann es beispielsweise vorsehen, die Kathode dauerhaft von Sauerstoff freizuhalten, was bei der üblicherweise auftretenden Dichtheit in dem System ein erneutes Evakuieren des Kathodenraums 32 beispielsweise alle zehn Stunden oder dergleichen erfordert. Da eine solche immer wieder auftretende Evakuierung für die Membranen relativ riskant ist, da diese austrocknen können, kann diese Vorgehensweise insbesondere mit der oben beschriebenen Befeuchtung der Membranen einhergehen, wenn die Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts liegen und ein sicherer und zuverlässiger Start auch mit einer gewissen Restfeuchte in der Brennstoffzellenanlage 1 möglich ist.
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Eine zweite Möglichkeit, einen Air/Air-Start zu vermeiden, besteht darin, dass die Luft, welche während des Stillstands des Brennstoffzellensystems 14 auch in den Anodenraum 31 eingedrungen ist, vor dem Start aus dem Anodenraum 31 wieder abzusaugen, diesen also zu evakuieren. Hierfür wird Luft gefördert und strömt über den Kathodenbypass 46 und die Gasstrahlpumpe 47. Bei geöffnetem Purgeventil 43 kann so die Luft, welche während des Stillstands in den Anodenraum 31 eingedrungen ist, abgesaugt werden. Dadurch ist es möglich, den Sauerstoffgehalt im Volumen des Anodenraums 31 und letztlich auch des Anodenkreislaufs zumindest deutlich zu reduzieren, bevor beim Start der Wasserstoff zudosiert wird. Auch hierdurch lässt sich ein schonender Start realisieren und die Lebensdauer der Brennstoffzellenstapel 17, 18 verlängern.
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Die dritte Möglichkeit nutzt die Erzeugung von Stickstoff bzw. an Sauerstoff abgereicherter Luft, insbesondere Luft mit einem Sauerstoffgehalt von 0%, um einen sehr schonenden Start zu realisieren. Hierfür wird die Kreislaufführung um den Kathodenraum 32 genutzt. In den Anodenkreislauf eindosierter Wasserstoff oder in diesem noch befindlicher Restwasserstoff wird bei geöffnetem Purgeventil 43 über die Gasstrahlpumpe 47 angesaugt und gelangt so zusammen mit der sauerstoffhaltigen Luft in einen Kreislauf, welcher durch den Betrieb des zweiten Strömungsverdichters 4 aufrechterhalten wird. Die Luft strömt dann im Kreis um den Kathodenraum 32. Sie strömt dabei teilweise durch den Kathodenraum 32 und teilweise durch den Kathodenbypass 46. Dann strömt sie über die Abluftleitung 33 und das Abgasrückführventil 34 sowie die Abgasrückführleitung 35 zurück in die Registerleitung 24 und von dort durch das Verdichterrad 11 angetrieben wieder zurück zur Ventileinrichtung 44 in der Zuluftleitung 27. Durch die Vermischung von Wasserstoff und Luft in diesem Betrieb kommt es nun zu einer Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs beispielsweise an den Katalysatoren des Anodenraums 31 oder im Bereich eines hierfür speziell vorgesehen - nicht dargestellten - Katalysators, welcher beispielsweise in dem Kathodenbypass 46 nach der Gasstrahlpumpe 47 angeordnet sein kann. Im Falle des zusätzlichen Katalysators muss der Kathodenraum 32 nicht ständig durchströmt werden, um den Sticksoff zu erzeugen. Dies verringert die Austrocknung der Membranen und schont diese. Bei Bedarf könnten sie jedoch auch nachbefeuchtet werden, wie oben ausgeführt.
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Die vierte Möglichkeit, um einen Air/Air-Start zu vermeiden, stellt gewissermaßen eine Kombination aus der zweiten und der dritten Möglichkeit dar. Zusätzlich ist dafür eine Wasserstoffdosierleitung erforderlich, über welche Wasserstoff auf die Kathodenseite dosiert werden kann. Diese Wasserstoffdosierleitung ist ähnlich wie oder alternativ zur Purgeleitung 42 an die Gasstrahlpumpe 47 im Kathodenbypass 46 angeschlossen. Damit ist es möglich, Wasserstoff über die Wasserstoffdosierleitung auf die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 14 zu dosieren, ohne dass dieser Wasserstoff zuvor durch den Anodenraum 31 hindurchströmen muss. Durch den der Gasstrahlpumpe 47 im Kreislauf um den Kathodenraum 32 nachgeschalteten oben schon angesprochenen Katalysator lässt sich so Sauerstoff in der Luft verbrauchen. Diese wird dann mit Hilfe der Ventileinrichtungen 44, 45 sowie dem Abgasrückführventil 34 und durch den Betrieb des Verdichterrades 11 in diesem Kreislauf autark rezirkuliert. Dies erfolgt solange, bis der Sauerstoffgehalt in der ursprünglichen Luft mit Hilfe des Katalysators und des über die Wasserstoffdosierleitung in den Kreislauf gelangenden Wasserstoffs im Bereich der Mischstelle in der Gasstrahlpumpe 47 auf weniger als 1 Volumen-Prozent, insbesondere auf ca. 0 Volumen-Prozent reduziert wird. Das dann rezirkulierte Gas ist somit quasi frei von Sauerstoff und besteht im Wesentlichen aus Stickstoff.
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Durch die Rezirkulation über das Verdichterrad 11 wird dieses Gas gleichzeitig erwärmt, was die katalytische Reaktion im Katalysator begünstigt, um so Sauerstoff und Wasserstoff effizient umzusetzen. Ideal ist dafür ein Tempertaturbereich von ca. +60 bis +80° C. Damit lässt sich die katalytische Umsetzung sehr gut regeln, um so unerwünschte Stickoxide innerhalb des geschlossenen Volumens zu vermeiden. Diese Stickoxide als Nebenprodukt sind dabei aufgrund der später anfallenden Emissionen derselben unerwünscht, würden aber den bezüglich der Lebensdauer schonenden Umgang mit der Brennstoffzellestapeln 17, 18 nicht weiter beeinträchtigen.
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Nach einiger Zeit ist der gesamte Sauerstoff verbraucht, wenn ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht oder entsprechend nachdosiert worden ist. In dem gesamten Kreislauf liegt nun also Gas vor, welches auf 0% Sauerstoff abgereichert ist. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Stickstoff, wenn von Kohlendioxid und einigen Edelgasen, welche das Verfahren jedoch nicht nachteilig beeinflussen, abgesehen wird. Nachdem nun in dem Kreislauf Stickstoff vorliegt, kann das Purgeventil 43 geöffnet werden, der zweite Strömungsverdichter 4 kann abgeschaltet werden. Das Kathodenabsaugventil 48 und/oder die Ventileinrichtungen 44, 45 werden geöffnet. Der Stickstoff strömt dann über die Purge-Leitung 42 und die Kathodenstichleitung 48 und/oder die Zuluftleitung 27 zurück in die Brennstoffzellenstapel 17, 18, sodass diese mit Stickstoff gefüllt werden. Dies ermöglicht einen außerordentlich schonenden Start beim nächsten Startvorgang, ohne dass es zu den Schädigungsmechanismen des Air/Air-Starts kommt.
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Eine fünfte Möglichkeit kann in Kombination mit der bisher üblichen Art und Weise, den Wasserstoff in dem System zu halten, auch bei dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 14 ideal eingesetzt werden. Idealerweise unter Anwendung eines geringen statischen Überdrucks gegenüber dem Luftdruck in der umgebenden Atmosphäre werden dabei die Volumen sowohl des Anodenraums 31 als auch des Kathodenraums 32 mit Wasserstoff befüllt und unter geringem Überdruck gehalten, um eine vollständige Inertisierung der Volumen durch eine Wasserstoffkonzentration von annähernd 100 Prozent zu realisieren. Vor dem regulären Start kann nun der vorhandene Restwasserstoff im Kathodenraum 32 über die Gasstrahlpumpe 47 und ihren Betrieb durch die bereits geförderte nicht jedoch in den Kathodenraum 32 einströmende Zuluft wieder entfernt werden, indem der Wasserstoff aus dem Kathodenraum 32 vollständig abgesaugt wird, bevor der Kathodenraum 32 durch das Öffnen der Ventileinrichtung 44 in Richtung des Kathodenraums 32 dann mit Sauerstoff bzw. der den Sauerstoff enthaltenden Luft beaufschlagt wird, um das Brennstoffzellensystem 14 bzw. seine Brennstoffzellenstapel 17, 18 starten zu können.
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Um nun dennoch von Zeit zu Zeit Sauerstoff in den Anodenraum 31 zu bekommen, um dort angelagerte CO-Vergiftungen abzuoxidieren, können die Brennstoffzellestapel 17, 18 wieder evakuiert werden, unter Einsatz der Gasstrahlpumpe 47 im Kathodenbypass 46. Bei geöffnetem Purgeventil 43 kann dann bei abgeschaltetem Luftverdichter Luft bzw. sauerstoffhaltiges Gas in den Bereich des Anodenraums 31 gelangen. Prinzipiell ist die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid dabei passiv denkbar. Effizienter wird es, wenn die Rezirkulationsfördereinrichtung 31 betrieben wird, beispielsweise indem nach dem Überströmen von Luft in den Anodenkreislauf die Luftfördereinrichtung 2 bzw. eine ihrer Stufen bei zuerst einmal geschlossenem Purgeventil 43 wieder betrieben wird, um in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über die Abluftturbine 37 die Rezirkulationsfördereinrichtung 41 in Form des Gebläses anzutreiben. Der Refresh des Katalysators ist dann nach kurzer Zeit, beispielsweise in der Größenordnung von weniger als einer Minute, abgeschlossen. Das sauerstoffhaltige Gas kann dann durch ein erneutes Öffnen des Purgeventils 43 wieder aus dem Anodenkreislauf abgesaugt werden und das System kann beispielsweise in der oben beschriebenen Art und Weise mit Stickstoff befüllt werden, um es auf den nächsten Start vorzubereiten.
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All dies gilt für das andere Brennstoffzellensystem 13 mit seinen Brennstoffzellenstapeln 15, 16 analog und wird vorzugsweise immer in beiden Brennstoffzellensystemen 13, 14 gleichzeitig ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009043569 A1 [0002]