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Title:
METHOD FOR STARTING A FUEL CELL SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2024/056731
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention proposes a method for starting a fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises at least one fuel cell stack and a compressor arrangement which has a first compressor, which is coupled to an electric motor, and a second compressor, which is coupled to a turbine arranged in a cathode path of the fuel cell system. The method can provide a first start mode and a second start mode, in which modes only the first compressor or both compressors is/are started, in particular depending on starting conditions and operating conditions of the fuel cell stack.

Inventors:
BRAUN JOCHEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2023/075138
Publication Date:
March 21, 2024
Filing Date:
September 13, 2023
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (2) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (22) und einer Verdichteranordnung (4), die einen ersten Verdichter (6) aufweist, der mit einem Elektromotor (8) gekoppelt ist, und einen zweiten Verdichter (14) aufweist, der mit einer in einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems (2) angeordneten Turbine (16) gekoppelt ist, das Verfahren aufweisend die Schritte:

Erfassen (56) einer Startbedingung in Form eines angeforderten Druckniveaus für den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (22) und/oder eines Temperaturniveaus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22) und/oder der Startart des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22),

Entscheiden (58) auf Basis der Startbedingung, ob die Verdichteranordnung (4) in einem ersten Startmodus mit verzögertem Start des zweiten Verdichters (14) gestartet wird, oder in einem zweiten Startmodus mit nicht verzögertem Start des zweiten Verdichters (14), in dem ersten Startmodus Starten (62) des ersten Verdichters (6) und Beschleunigen, bis eine Leerlaufdrehzahl des ersten Verdichters (6) überschritten und eine vorgegebene erste Maximalstartdrehzahl höchstens erreicht wird, Starten (66) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22), Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22) höchstens mit einer Teillast, Prüfen (70) des Temperaturniveaus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22) und/oder des angeforderten Druckniveaus für den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (22) und Starten (74) des zweiten Verdichters (14) nach Überschreiten eines entsprechenden Schwellenwerts und Beschleunigen, bis eine Leerlaufdrehzahl des zweiten Verdichters (14) überschritten und eine vorgegebene zweite Maximalstartdrehzahl höchstens erreicht wird, und Betreiben (76) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22) bis zur vorgesehenen Höchstlast, sobald der erste und zweite Verdichter (6, 14) ordnungsgemäß in Betrieb sind, in dem zweiten Startmodus Starten(78) des ersten Verdichters (6) und des zweiten Verdichters (14) und jeweiliges Beschleunigen und Starten des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, und Betreiben (80) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22) bis zur vorgesehenen Höchstlast, sobald der erste und zweite Verdichter (6, 14) ordnungsgemäß in Betrieb sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend Öffnen eines zweiten Verdichterbypass (52), der parallel zu dem zweiten Verdichter (14) angeordnet ist, wenn der erste Verdichter (6) bei stillstehendem zweiten Verdichter (14) in dem ersten Startmodus gestartet wird und Schließen des zweiten Verdichterbypass (52), wenn der zweite Verdichter (14) gestartet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erfassen (56) der Startbedingung prädiktiv oder in Echtzeit durch Auswerten mindestens einer durch einen Sensor erfassbaren physikalischen Größe und/oder auf Basis einer Simulation der physikalischen Größe erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine physikalische Größe eine Kühlmitteltemperatur des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (22) umfasst.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem ersten Startmodus beim Beschleunigen des ersten Verdichters

(6) der zweite Verdichter (14) zumindest teilweise durch von dem ersten Verdichter gelieferte verdichtete Luft durchströmt wird, wobei der zweite Verdichter (14) arretiert wird und/oder die Drehzahl des ersten Verdichters (6) auf eine vorgegebene Teillastdrehzahl beschränkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei vor dem Start des zweiten Verdichters (14) und nach dem Schließen des zweiten Verdichterbypass (52) der erste Verdichter (6) auf eine Drehzahl gebracht wird, die zu einer Enthalpie eines Kathodenabluftstroms führt, welche eine zum Starten des zweiten Verdichters (14) erforderliche Enthalpie sicherstellt, vorzugsweise um 10% übersteigt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betrieb des zweiten Verdichters (14) unterbrochen wird, wenn das angeforderte Druckniveau bei gleichzeitigem Betrieb des ersten Verdichters (6) und des zweiten Verdichters (14) nicht erreichbar ist, sondern stets überschritten wird.

8. Brennstoffzellensystem (2), aufweisend: mindestens einen Brennstoffzellenstapel (22), eine Verdichteranordnung (4), die mindestens einen elektrisch betreibbaren ersten Verdichter (6) und einen nachgeordneten oder vorgeschalteten zweiten Verdichter (14) aufweist, mit einer in einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems (2) angeordneten Turbine (16) gekoppelt ist, und eine Steuereinheit (3) zum Steuern des Brennstoffzellensystems (2), wobei das Brennstoffzellensystem (2) dazu ausgebildet ist, mittels der Steuereinheit (3) ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen zweiten Verdichterbypass (52), der parallel zu dem zweiten Verdichter (14) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, den zweiten Verdichterbypass (52) zu öffnen, wenn der erste Verdichter (6) bei stillstehendem zweiten Verdichter (14) in dem ersten Startmodus gestartet wird und zu schließen, wenn der zweite Verdichter (14) gestartet wird, sowie ebenfalls zu öffnen, wenn der zweite Verdichter (14) aus dem Betrieb beider Verdichter heraus gestoppt werden soll.

10. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend einen Turbinenbypass (44), der parallel zu der Turbine (16) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Turbinenbypass (44) zu öffnen, wenn der erste Verdichter (6) in dem ersten Startmodus gestartet wird und zu schließen, wenn der zweite Verdichter (14) gestartet werden soll und ebenfalls zu öffnen, wenn der zweite Verdichter (14) aus dem Betrieb beider Verdichter gestoppt werden soll.

Description:
Beschreibung

Titel:

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem.

Stand der Technik

Bei Fahrzeugen, in denen zumindest ein Teil einer für einen elektrischen Antrieb erforderlichen elektrischen Leistung durch ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, werden üblicherweise Verdichter zum Verdichten und Zuführen von Umgebungsluft an das Brennstoffzellensystem integriert. Es sind zahlreiche verschiedene Verdichteranordnungen bekannt, die einflutig, zweiflutig, und ein- oder mehrstufig aufgebaut sind. Oft werden dabei thermische Strömungsmaschinen als Verdichter eingesetzt. Eine zweistufige Verdichteranordnung umfasst beispielsweise einen ersten Verdichter, der über einen elektrischen Antrieb verfügt. Ein nachgeschalteter oder vorgeschalteter zweiter Verdichter könnte über eine Turbine angetrieben werden, die in einem Kathodenpfad und insbesondere einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.

In einigen Betriebsmodi bzw. Betriebsbedingungen werden für Brennstoffzellen niedrige Kathodendrücke im Bereich des Umgebungsdrucks benötigt, insbesondere bei niedrigen Temperaturen der Brennstoffzellen, um gebildetes Wasser ausreichend abzuführen. Diese Anforderungen können jedoch aufgrund von Betriebsgrenzen, etwa Pumpgrenze, Stopfgrenze, zulässige minimale und maximale Drehzahlen, Axialkräfte/Querkräfte auf Verdichterlager nicht erreicht werden, wenn beide Verdichter laufen. Ist der Druck in diesem Fall zu hoch, wird zu wenig Reaktionswasser abtransportiert, dadurch sammelt sich Wasser an und nach einiger Zeit werden die Brennstoffzellen geflutet, sodass die Sauerstoffversorgung einbricht und folglich Zellenspannungen und der gelieferte Strom zusammenbrechen.

Da der durch eine Turbine angetriebene Verdichter zur Aufrechterhaltung seines Betriebs ausreichend Enthalpie und damit auch Druck an einem Turbineneinlass benötigt, kann beispielsweise bei zu niedrigem Druck die untere zulässige Drehzahlgrenze erreicht werden.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein verbessertes Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, bei dem auch niedrige Drücke realisierbar sind, wenn sie erforderlich oder gewünscht sind.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Es wird ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Brennstoffzellenstapel und eine Verdichteranordnung umfasst, die einen ersten Verdichter aufweist, der mit einem Elektromotor gekoppelt ist, und einen zweiten Verdichter aufweist, der mit einer in einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems angeordneten Turbine gekoppelt ist, das Verfahren aufweisend die Schritte Erfassen einer Startbedingung in Form eines angeforderten Druckniveaus für den mindestens einen Brennstoffzellenstapel und/oder eines Temperaturniveaus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels und/oder der Startart des mindestens einen Brennstoffzellenstapels; Entscheiden auf Basis der Startbedingung, ob die Verdichteranordnung in einem ersten Startmodus mit verzögertem Start des zweiten Verdichters gestartet wird, oder in einem zweiten Startmodus mit nicht verzögertem Start des zweiten Verdichters; in dem ersten Startmodus Starten des ersten Verdichters und Beschleunigen, bis eine Leerlaufdrehzahl des ersten Verdichters überschritten und eine vorgegebene erste Maximalstartdrehzahl höchstens erreicht wird, Starten des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellenstapels höchstens mit einer Teillast, Prüfen des Temperaturniveaus des mindestens einen Brennstoffzellenstapels und/oder des angeforderten Druckniveaus für den mindestens einen Brennstoffzellenstapel und Starten des zweiten Verdichters nach Überschreiten eines entsprechenden Schwellenwerts und Beschleunigen, bis eine Leerlaufdrehzahl des zweiten Verdichters überschritten und eine vorgegebene zweite Maximalstartdrehzahl höchstens erreicht wird, und Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellenstapels bis zur vorgesehenen Höchstlast, sobald der erste und zweite Verdichter ordnungsgemäß in Betrieb sind; in dem zweiten Startmodus Starten des ersten Verdichters und des zweiten Verdichters und jeweiliges Beschleunigen und Starten des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, und Betreiben des mindestens einen Brennstoffzellenstapels bis zur vorgesehenen Höchstlast, sobald der erste und zweite Verdichter ordnungsgemäß in Betrieb sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, das Brennstoffzellensystem und insbesondere die Verdichteranordnung derart zu starten, dass Betriebsmodi sehr einfach berücksichtigt werden können, die einen niedrigen Systemdruck im Kathodenpfad des Brennstoffzellenstapels erfordern. Dies könnte etwa einen Gefrierstart bei Außentemperaturen von unter 0°C, einen Kaltstart von etwas über 0°C, eine Warm-up-Phase bis zu einer Ziel-Betriebstemperatur, ein Betreiben des Brennstoffzellenstapels unterhalb der Ziel-Betriebstemperatur (z.B. Auskühlen aufgrund zu niedriger Last, etwa bei Bergabfahrt und niedriger Umgebungstemperatur) oder Trocknungsprozesse des Brennstoffzellenstapels beim Abstellen, Rekuperationsfunktionen mit niedrigen Drücken erfordern. Die Verdichteranordnung kann dennoch einen elektrisch betriebenen Verdichter und einen turbinenbetriebenen Verdichter aufweisen, wie im Stand der Technik üblich. Die Verdichteranordnung kann derart gestartet werden, dass niedrige Kathodendrücke nahe des Umgebungsdrucks einstellbar sind, indem ein verzögerter Start des turbinenbetriebenen Verdichters erfolgt, wenn der elektrische Verdichter gestartet oder betrieben wird.

Parallel zu den beiden Startmodi kann auch das Brennstoffzellensystem insgesamt in einem ersten oder zweiten Betriebszustand betrieben werden, die den ersten oder zweiten Startmodus berücksichtigen. In dem ersten Betriebszustand kann die Leistung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels auf eine Teillast reduziert werden und beispielsweise nach Erreichen einer ausreichenden Betriebstemperatur in den zweiten Betriebszustand überführt werden, in dem beide Verdichter betrieben werden und der mindestens eine Brennstoffzellenstapel bis zur Höchstlast betreibbar ist.

Hierdurch kann eine bessere Abstimmung des Betriebs zwischen dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel und der Verdichteranordnung erreicht werden. Das Wassermanagement in dem Brennstoffzellensystem wird verbessert und die Flutung von Brennstoffzellen vermieden. Insgesamt wird die Alterung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels vermieden oder vermindert und der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird verbessert.

Sollte der Start des zweiten Verdichters scheitern, wenn die Drehzahl des zweiten Verdichters bei Null bleibt oder die Leerlaufdrehzahl nicht erreicht wird, bleibt das System im Teillastbetrieb, bis gegebenenfalls ein weiterer Start des zweiten Verdichters versucht wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren ferner Öffnen eines zweiten Verdichterbypass auf, der parallel zu dem zweiten Verdichter angeordnet ist, wenn der erste Verdichter bei stillstehendem zweiten Verdichter gestartet wird, und Schließen des zweiten Verdichterbypass, wenn der zweite Verdichter gestartet wird. Durch den zweiten Verdichterbypass kann ein höherer Luftstrom in der Verdichteranordnung generiert werden. Das Brennstoffzellensystem erfährt dadurch geringere Limitierungen beim Betrieb, da der Massenstrom der Verdichteranordnung größtenteils um den zweiten Verdichter herumgeleitet werden kann, was sowohl die Pumpgrenze des ersten Verdichters als auch für Quer- bzw. Axialkräfte des zweiten Verdichters positiv beeinflusst.

In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Erfassen der Startbedingung prädiktiv oder in Echtzeit durch Auswerten mindestens einer durch einen Sensor erfassbaren physikalischen Größe und/oder auf Basis einer Simulation der physikalischen Größe. Dies kann, wie vorangehend ausgeführt, ein angefordertes Druckniveau oder eine Temperatur des mindestens einen Brennstoffzellenstapels sein. Letztere könnte etwa durch ein mathematisches Modell geschätzt bzw. simuliert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die mindestens eine physikalische Größe eine Kühlmitteltemperatur des mindestens einen Brennstoffzellenstapels. Diese kann durch einen Kühlmitteltemperatursensor gemessen werden und gibt Aufschluss über die Temperatur im Inneren des Brennstoffzellenstapels.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei dem ersten Startmodus der zweite Verdichter beim Beschleunigen des ersten Verdichters durch von dem ersten Verdichter gelieferte verdichtete Luft durchströmt, wobei der zweite Verdichter arretiert wird und/oder wobei die Drehzahl des ersten Verdichters auf eine vorgegebene Teillastdrehzahl beschränkt wird. Querkräfte und Axialkräfte, die durch das Durchströmen des stillstehenden zweiten Verdichters auf diesen ausgeübt werden, können dadurch beschränkt werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Der stehende zweite Verdichter stellt ein Hindernis dar und verursacht einen Druckverlust. Die Pumpgrenze des ersten Verdichters wird dadurch schneller erreicht als bei aktivem Betrieb des zweiten Verdichters. Die Beschränkung auf die Teillastdrehzahl kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass der Betrieb des ersten Verdichters deutlich eingeschränkt wird im Vergleich zu dem Betrieb mit laufendem zweiten Verdichter. Alternativ dazu könnten auch Berechnungen der Kräfte aus aktuellen thermodynamischen Daten erfolgen und damit die Beschränkung der Teillastdrehzahl modellbasiert berechnet werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vor dem Start des zweiten Verdichters und nach dem Schließen des zweiten Verdichterbypass die Drehzahl des ersten Verdichters auf eine Drehzahl beschränkt, die zu einer Enthalpie eines Kathodenabluftstroms führt, die eine zum Starten des zweiten Verdichters erforderliche Enthalpie um höchstens 10% übersteigt. Dadurch reicht die Enthalpie für den Start des zweiten Verdichters aus, gleichzeitig werden jedoch auch die Axial- und Querkräfte auf den zweiten Verdichter beschränkt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Betrieb des zweiten Verdichters unterbrochen, wenn das angeforderte Druckniveau bei gleichzeitigem Betrieb des ersten Verdichters und des zweiten Verdichters nicht erreichbar ist, sondern stets überschritten wird. Soll das Druckniveau für ein sinnvolles Wassermanagement unterhalb des Mindestdrucks der Verdichteranordnung mit beiden laufenden Verdichtern liegen, ist der zweite Verdichter wieder abzustellen. Damit es nicht zu einem wiederholten Abschalten und Starten des zweiten Verdichters kommt, kann die Entscheidung zum Abschalten mit einer Hysteresefunktion realisiert werden. Weiterhin könnte die Entscheidung auch von Betriebsmodi abhängig gemacht werden, so ist etwa für das Trocknen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels beim Abschalten notwendig, niedrige Drücke nahe Umgebungsdruck in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel zu haben.

Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, aufweisend mindestens einen Brennstoffzellenstapel, eine Verdichteranordnung, die mindestens einen elektrisch betreibbaren ersten Verdichter und einen nachgeordneten oder vorgeschalteten zweiten Verdichter aufweist, mit einer in einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems angeordneten Turbine gekoppelt ist, und eine Steuereinheit zum Steuern des Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem dazu ausgebildet ist, mittels der Steuereinheit ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die topologische Reihenfolge der Verdichter für die Durchführung der erfindungsgemäßen Lösung keine Rolle spielt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner einen zweiten Verdichterbypass auf, der parallel zu dem zweiten Verdichter angeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den zweiten Verdichterbypass zu öffnen, wenn der erste Verdichter bei stillstehendem zweiten Verdichter in dem ersten Startmodus gestartet wird und zu schließen, wenn der zweite Verdichter gestartet wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner einen Turbinenbypass auf, der parallel zu der Turbine angeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Turbinenbypass zu öffnen, wenn der erste Verdichter in dem ersten Startmodus gestartet wird.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht des Brennstoffzellensystems in einer beispielhaften Verdichterreihenfolge;

Figur 2 eine schematische, blockbasierte Darstellung von Aspekten des Verfahrens;

Figur 3 eine schematische, blockbasierte Darstellung weiterer Aspekte des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2, das über eine Steuereinheit 3 gesteuert wird. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Verdichteranordnung 4 auf, die einen ersten Verdichter 6 mit einem Elektromotor 8 und einem Wechselrichter 10 umfasst. Der erste Verdichter 6 ist über eine erste Welle 12 mit dem Motor 8 verbunden, welcher über den Wechselrichter 10 mit einer Betriebsspannung versorgt wird. Der Wechselrichter 10 könnte von außen angesteuert sein, um die Drehzahl des Motors 8 nach Bedarf einzustellen. Der erste Verdichter 6 ist hier als zweite Kompressionsstufe ausgeführt und ein zweiter Verdichter 14 ist hier als erste Kompressionsstufe ausgeführt. Dieser stellt die erste Stufe der gesamten Luftverdichtung dar. Der zweite Verdichter 14 und eine diesen antreibendeTurbine 16 sind durch eine zweite Welle 18 miteinander gekoppelt. Der zweite Verdichter 14 liegt stromabwärts des ersten Verdichters 6 und liefert verdichtete Luft in einen Zuluftpfad 20 eines Brennstoffzellenstapels 22. Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 22 strömt in einen Abluftpfad 24 und gerät von dort in die Turbine 16. Anschließend kann die Abluft stromabwärts der Turbine 16 in die Umgebung 26 abfließen. Der Zuluftpfad 20 und der Abluftpfad 24 können als Kathodenpfad zusammengefasst werden.

Stromabwärts des zweiten Verdichters 14 ist ferner ein Zwischenkühler 28 vorgesehen, der die verdichtete Zuluft vor dem Eintreten in den Brennstoffzellenstapel 22 kühlt. Stromabwärts des Zwischenkühlers 28 befindet sich ein erstes Absperrventil 30, das bedarfsweise den Zuluftstrom in den Brennstoffzellenstapel 22 unterbindet. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 2 befindet sich ein zweites Absperrventil 32 zum bedarfsweisen Unterbrechen einer Verbindung des Brennstoffzellenstapels 22 mit dem Abluftpfad 24. Der Brennstoffzellenstapel 22 kann über einen Brennstoffzellenbypass 34 umgangen werden. Der Brennstoffzellenbypass 34 weist ein Brennstoffzellenbypassventil 36 auf, das bedarfsweise geöffnet und geschlossen werden kann.

Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 22 und dem zweiten Verdichter 14 kann ein Wärmeübertrager 38 vorgesehen sein, der Wärme aus dem Zuluftpfad 20 in den Abluftpfad 24 überträgt. Zwischen dem ersten Verdichter 6 und dem zweiten Verdichter 14 könnte weiter ein zusätzlicher Zwischenkühler 40 angeordnet sein, der die in den zweiten Verdichter 14 einströmende Luft kühlt. Vor dem ersten Verdichter 6 ist ein Luftfilter 42 angeordnet, der Luft aus der Umgebung 26 filtert und dem ersten Verdichter 6 zuführt. Die Turbine 16 kann durch einen Turbinenbypass 44 umgangen werden. Der Turbinenbypass 44 weist ein Turbinenbypassventil 46 auf, das bedarfsweise geöffnet und geschlossen werden kann. Stromabwärts der Turbine 16 ist weiterhin noch ein Abluftabsperrventil 48 vorgesehen. Direkt stromabwärts davor könnte ein weiterer Wärmeübertrager 50 angeordnet sein, der Wärme aus dem Teil des Zuluftpfads 20 direkt stromabwärts des ersten Verdichters 6 aufnimmt und in die abströmenden Abluft übertragt. Parallel zu dem zweiten Verdichter 14 ist ein zweiter Verdichterbypass 52 angeordnet, der ein zweites Verdichterbypassventil 54 aufweist. Hierdurch kann der zweite Verdichter 14 mit verdichteter Luft aus dem ersten Verdichter 6 umgangen werden.

Das Brennstoffzellensystem 2 ist in der Lage, durch die Steuereinheit 3 gesteuert, ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 2 durchzuführen, welches in den Fig. 2 und 3 näher erläutert wird.

Fig. 2 zeigt Aspekte des Verfahrens in einer schematischen, blockbasierten Darstellung. Zunächst wird eine Startbedingung erfasst 56, um anschließend zu entscheiden 58, ob die Verdichteranordnung 4 in einem ersten Startmodus oder einem zweiten Startmodus gestartet wird. Sind die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 22 zu niedrig, ist ein Kalt- oder Gefrierstart vorgesehen, ist ein niedriger Druck vorgegeben, wird der erste Startmodus mit verzögertem Start des zweiten Verdichters 14 gewählt.

Bei der ersten Startbedingung werden die Absperrventile 30 und 32 geschlossen, der Kathodenbypass 34 und der Turbinenbypass 44 sowie der zweite Verdichterbypass 52 geöffnet, was als Entdrosseln 60 bezeichnet werden kann. Der erste Verdichter 6 wird gestartet 62 und unter Berücksichtigung von Limitierungen 64 bis zu einer vorgegebenen Teillastdrehzahl beschleunigt, die bei ausgeschaltetem zweiten Verdichter 14 zu tolerieren ist. Die Quer- und Axialkräfte, die durch das Durchströmen des stillstehenden zweiten Verdichters 14 auf diesen ausgeübt werden - soweit dies durch den zweiten Verdichterbypass 52 überhaupt der Fall ist - können durch Limitierung der Drehzahl beschränkt werden. Zudem wird dann ebenso die Pumpgrenze des ersten Verdichters 6 nicht erreicht.

Der Brennstoffzellenstapel 22 wird gestartet 66 und unter Berücksichtigung der Limitierungen betrieben, wobei die Absperrventile 30 und 32 geöffnet und der Kathodenbypass 34 geschlossen werden. Aus einem limitierten Betrieb des ersten Verdichters 6 bei Teillastdrehzahl folgt ein maximal möglicher Teillastmassenstrom, woraus eine maximal mögliche elektrische Teilleistung des Brennstoffzellenstapels 22 resultiert. Diese ist für Systeme ohne einen zweiten Verdichterbypass 52 geringer als für System mit einem zweiten Verdichterbypass 52. Jedoch ist diese Teilleistung für die relevanten Fälle wie Gefrierstart und Kaltstart in der Regel ausreichend. Die Sollleistung und damit auch der Aufwärmgradient sind bei dem ersten Startmodus zu begrenzen.

Der Zustand und Betrieb des zweiten Verdichters 14 wird anschließend stetig überwacht 68 , um insbesondere sicherzustellen, dass der zweite Verdichter 14 nicht rotiert oder um zu berücksichtigen, dass er rotiert. Bei Rotation könnte gegebenenfalls die Drehzahl des ersten Verdichters 6 erniedrigt werden.

Es wird weiterhin kontinuierlich die Brennstoffzellenstapeltemperatur geprüft 70. Basierend hierauf kann entschieden werden 72, wann der zweite Verdichter 14 in Betrieb gesetzt wird 74. Dies kann auch bei einem entsprechend höheren angeforderten Druckniveau erfolgen. Da sich die Temperatur in der Aufwärmphase langsam ändert und ein Aufwärmgradient detektiert oder auch eingeregelt werden kann, kann der Start des zweiten Verdichters 14 auch prädiziert werden. Ist beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 22 größer als 50°C, kann der zweite Verdichter 14 gestartet werden. Da der-Start schnell erfolgen kann, ist die Umschaltung dynamisch unkritisch. Der Brennstoffzellenstapel 22 kann anschließend, nach erfolgreichem Start des zweiten Verdichters 14, normal bis zur Volllast betrieben werden 76, je nach üblichen, für das Brennstoffzellensystem 2 geltenden Grenzen.

Ist der zweite Startmodus vorgesehen, werden der erste Verdichter 6 und der zweite Verdichter 14 gleichzeitig gestartet 78. Der Turbinenbypass 44 ist geschlossen, sodass der zweite Verdichter 14 mit dem ersten Verdichter 6 startet. Falls vorhanden ist auch der zweite Verdichterbypass 52 geschlossen. Sollte der zweite Verdichter 14 nicht starten, z.B. aufgrund blockierter Welle, dann kann ein eingeschränkter Betrieb wie bei Verfahrensschritt 62 eingenommen werden. Andererseits kann ein herkömmlicher Betrieb gestartet werden 80.

In Fig. 3 werden weitere Aspekte des Verfahrens gezeigt. Basierend auf Betriebsbedingungen 82 wird entschieden 84, ob der zweite Verdichter 14 abgeschaltet werden soll, etwa wenn die Verdichteranordnung 4 eine niedrige Druckanforderung nicht erfüllen kann. Dies erfolgt bevorzugt mit einer entsprechenden Hysterese. Ist ein vorgezogenes Anhalten des zweiten Verdichters 14 gewünscht, wird die Verdichteranordnung 4 in einen Leerlaufzustand überführt 86, damit der zweite Verdichter 14 nicht auf einem hohem Lastpunkt abgeschaltet wird. Die Drehzahl des zweiten Verdichters 14 sollte dabei nur unwesentlich höher als eine Leerlaufdrehzahl sein. Anschließend erfolgt ein Abschalten 88. Um den Verdichter 14 mit Turbine 16 abzuschalten, wird der Turbinenbypass 44 geöffnet und wenn vorhanden auch der Verdichterbypass 52 geöffnet. Der erste Verdichter 6 und der Brennstoffzellenstapel 22 werden anschließend weiterbetrieben 90, wobei die Drehzahl des ersten Verdichters 6 auf das Fehlen des zweiten Verdichters 14 bzw. andere Limitierungen 64 abzustimmen ist.

Zum Beenden des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels 22 reduziert. Wird kein Luftmassenstrom mehr benötigt, d.h. nicht für den Brennstoffzellenstapel 22, nicht für eine Verdünnung des Restwasserstoffs oder anderes, dann wird der erste Verdichter 6 abgestellt 92.

Wird das Abschalten des zweiten Verdichters 14 nicht vorgezogen, dann werden beide Verdichter 6 und 14 gleichzeitig abgeschaltet 94.

Die beiden Verfahren können kombiniert werden. Bei kurzen Start-Stopp-Phasen ist es gegebenenfalls nicht notwendig, den zweiten Verdichter zu starten, sodass der zweite Verdichter auch abgestellt bleiben kann. Dies hat auch Vorteile für die Reduktion des Lagerverschleißes.

Auch in diesem Teil des Verfahrens ist ein Überwachen 68 des Betriebs des zweiten Verdichters 14 sinnvoll.

Es sei ergänzend nochmals darauf hingewiesen, dass im Unterschied zu Figur 1 die Reihenfolge der Verdichterstufen auch anders herum gewählt werden kann.