EP4282018A1

EP4282018A1 - Fuel cell assembly having two parallel fuel cell systems

Info

Publication number: EP4282018A1
Application number: EP22700416.5A
Authority: EP
Inventors: Oliver Harr; Philipp Hausmann; Benjamin Pieck
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-11-29
Also published as: US20240063405A1; KR20230122644A; WO2022157237A1

Abstract

The invention relates to a fuel cell assembly (1) having two parallel fuel cell systems (13, 14), each comprising at least one fuel cell stack (15, 16, 17, 18) having a periphery on the anode side and on the cathode side and having a common air conveyance device (2). The fuel cell assembly (1) according to the invention is characterized in that the air conveyance device (2) is two-stage, wherein both stages are designed in the form of flow compressors (3, 4), each having one compressor wheel (8, 9, 10, 11) per stage, wherein the compressor wheels (8, 9; 10, 11) for the one and the other fuel cell system (13; 14) are arranged symmetrically to at least one electric machine (5, 6) on a shaft (7).

Description

Brennstoffzellenanlage mit zwei parallelen Brennstoffzellensystemen Fuel cell system with two parallel fuel cell systems

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. The invention relates to a fuel cell system with two parallel fuel cell systems, each of which comprises at least one fuel cell stack with anode-side and cathode-side periphery. They also include a common air conveyor.

Einzelne Brennstoffzellensysteme sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem lässt sich aus der DE 102009 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. Individual fuel cell systems are known in principle from the prior art. An exemplary fuel cell system can be found in DE 102009 043 569 A1. This system provides on the one hand a system bypass for connecting the pressure side to the exhaust air side and on the other hand a connection between the anode side and the cathode side via a blow-off line with a so-called blow-off or purge valve. In addition, a gas/gas humidifier that is customary in such fuel cell systems is indicated, which is used to humidify the supply air flow to the cathode space of the fuel cell through its moist exhaust air flow. In practice, however, these components are relatively large, complex and expensive.

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. For the electrical power supply of larger systems, for example for the power supply of electric drive systems for commercial vehicles, such as buses or trucks, it can now be provided that two such fuel cell systems are used in parallel. They can then be combined to form a fuel cell system, which can supply the power required for a truck in a comparatively simple manner by using two or more smaller fuel cell systems, for example two fuel cell systems for passenger cars. This has been known and customary for a long time, particularly when used in buses.

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. The problem with such structures is that a large number of components are required twice. In particular, this applies to the relatively complex, large and power-consuming components of the air supply as well as complex electrical components such as galvanically isolated DC/DC converters, which are Such systems are required as step-up converters to provide the required voltage from the two individual fuel cell systems.

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. So-called electric turbochargers are often used for air supply in conventional fuel cell systems, which have a compressor wheel on one side and a turbine on the other side, symmetrically to an electric machine. This allows power to be recovered from the exhaust air of the fuel cell system via the turbine. However, it is critical that the load on the electric turbocharger is relatively high and that it has to be set up in a correspondingly complex manner, especially with regard to its axial bearings, since the force ratio between the turbine wheel on the one hand and the compressor wheel on the other hand causes high loads on the axial bearing. A further problem with the sensible use of flow compressors lies in their operating behavior, so that the desired ratio of volume flow to pressure often cannot be provided for the respective fuel cell system, or cannot be provided without blowing off already compressed air. This is also undesirable and in particular reduces the overall efficiency of the system, since air that has already been compressed remains unused in order to be able to set the desired ratio of pressure and volume flow through the flow compressor.

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. The object of the present invention is now to specify an improved fuel cell system with at least two parallel fuel cell systems, which is improved in particular with regard to the air supply.

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. According to the invention, this object is achieved by a fuel cell system having the features in claim 1. Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.

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. The fuel cell system with the two or more parallel fuel cell systems has a common air conveying device. According to the invention, this air conveying device is designed as a two-stage air conveying device. Both stages are realized in the form of flow compressors, which each have a compressor wheel per stage. The compressor wheels for one and the other fuel cell system are arranged symmetrically to at least one electrical machine on a shaft. This enables a structure in which the symmetrical arrangement of the compressor wheels and the electrical drive arranged between them, a very good balance of axial forces is possible. This increases efficiency because friction can be minimized. In addition, simpler and smaller thrust bearings are possible, which is another advantage.

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. According to an extraordinarily favorable development of this, it is provided that each of the stages has an electric drive machine and two compression wheels arranged symmetrically thereto for one and the other fuel cell system. In this particularly favorable embodiment, two flow compressors, each with two compressor wheels arranged symmetrically to the electric machine, are connected in series in the manner of register charging. According to a very favorable embodiment of the idea, the structure is operated isobaric in particular in order to achieve a good air supply for the two fuel cell systems at all or at least most of the required operating points efficiently and without having to blow off already compressed air. The compressor wheels on one side of the electric motors supply one fuel cell system as a two-stage system and the compressor wheels on the other side of the electric machines take over the air supply of the other fuel cell system.

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. In addition to the improved regular operation due to the two compressor stages per fuel cell system, which are operated isobaric in particular, the structure also enables a high degree of flexibility in a manner that will be described in more detail later, since, for example, exhaust gas recirculation lines, humidification and the like are installed both in front of one and in front of the other stage and can therefore be placed between the two stages. When the first stage is switched off, the second stage can, for example, take on special tasks that will be described later in order to maintain the basic functionality and service life of the two fuel cell systems of the fuel cell system, for example by recirculating exhaust gas or the like.

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. According to a further extraordinarily favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention, the fuel cell stacks of the fuel cell systems are connected in series. This electrical summary of the fuel cell systems, which according to a very favorable development of According to the fuel cell system according to the invention, each of the fuel cell systems has two fuel cell stacks, which in turn are connected in series, makes it possible to dispense with expensive elements of the power electronics. For example, by connecting four fuel cell stacks in series in two fuel cell systems, a relatively high voltage can be achieved, which means that a simple common unit for distributing the power, a so-called power distribution unit PDU, is sufficient and no expensive galvanically isolated DC/DC converters are required , in order to correspondingly increase the voltage of the two parallel fuel cell systems, as is typically the case in the prior art. The omission of the DC/DC converter saves installation space and costs. In addition, there is no need to connect this power electronics to a cooling system, which can also be a decisive advantage in terms of installation space and complexity. In addition, it is the case that, in principle, every DC/DC converter chops up the incoming voltage in order to be able to convert or adjust it accordingly. Although in practice this occurs at high frequency, such a chopped voltage always means a higher load for DC components than a continuously running voltage, as can be achieved with the series connection mentioned.

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. 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. The waiver of complicated elements of the power electronics, which must be present twice in such a fuel cell system and are accordingly expensive and complex and require a lot of space, is also possible with the mentioned electrical series connection of the fuel cell stacks because they can then be operated with a constant fuel cell current . According to the required operating points, the voltage can then be influenced solely via the stoichiometry. For this purpose, the oxygen content can be increased accordingly by increasing the air volume via the two-stage air supply of the air conveying device. If there is also the possibility of exhaust gas recirculation on the cathode side and, as is described in more detail below, according to an advantageous development, the possibility of actively sucking oxygen out of the cathode side, there is a wide range of possible variations in the stoichiometry. This is completely sufficient for practical operation, so that the mentioned power electronics of the two fuel cell systems can be replaced by the mentioned very simple common PDU. At least one of the fuel cell stacks, in particular the fuel cell stack of one of the fuel cell systems, has a freewheeling diode parallel to the fuel cell stack or stacks, so that operation is possible even if one of the fuel cell systems fails, but then with reduced voltage, so that, for example, a Trucks equipped with such a fuel cell system can at least offer an emergency functionality, for example to drive to a workshop or to a hub in autonomous operation in order to check and/or service the fuel cell system accordingly.

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. A very advantageous development of the fuel cell system according to the invention can provide that the structure of each fuel cell system has what is known as an anode circuit, which is used for the recirculation of unused fuel, in particular hydrogen. This is recirculated around the anode space of the fuel cell stack or the two fuel cell stacks electrically connected in series in each of the fuel cell systems, ie fed back from the output of the anode space to the input. In the case of two fuel cell stacks per fuel cell system, these are fluidly connected in parallel for this purpose. In most operating situations, exhaust gas mixed with fresh hydrogen is fed back to the anode chamber in a manner known per se via the anode circuit. Each of the fuel cell systems also includes a cathode bypass, e.g. a line that is parallel to the cathode.

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“. In this very advantageous development of the fuel cell system according to the invention, this cathode bypass branches off before or in the area of a valve device in the supply air line and opens into the exhaust air line after or in the area of a further valve device. All of this can be built around the cathode space of the fuel cell stack or stacks on the system side. However, it can also be fully or partially integrated into them and/or their housing. The cathode chamber of one fuel cell stack or the cathode chambers of the two fuel cell stacks electrically connected in series, which are fluidically connected in parallel, are referred to below simply as the “cathode chamber”. This is done in the "anode room analog".

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. With the valve devices described, the cathode space can be shut off and the air actually flowing towards and through the cathode space can be shut off through the cathode bypass. Mixed forms of these two operating states are conceivable, possible and often useful. In this case, a gas jet pump driven by the air flowing around the cathode chamber is arranged in the cathode bypass. In the event that air is guided around the cathode space, the gas jet pump is therefore driven by this air as a driving jet. On the suction side, the gas jet pump is connected in a switchable manner both to the anode compartment and to the cathode compartment. In this way, gases and possibly liquid can be sucked out of the volume of the anode compartment or the anode circuit as well as from the volume of the cathode compartment. In the ideal case, the suction takes place relatively evenly in order to avoid excessive pressure differences between the cathode space and the anode space and thus to protect the membranes. The possibility of being able to extract gas from both the anode compartment and the cathode compartment, either alternatively or together, via the cathode bypass with the gas jet pump creates a multitude of new application possibilities.

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. With regard to the structural design of the respective fuel cell system, according to a very advantageous embodiment of the idea, it can also be provided that in the anode circuit a fan is driven as a recirculation conveying device by an exhaust air turbine in the exhaust air line. Energy in the exhaust air can thus be used in the respective fuel cell system of the fuel cell installation. In contrast to many conventional fuel cell systems, this energy should not be used in an electric turbocharger to support the compression of the supply air, but to recirculate the anode exhaust gases in the anode circuit.

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. 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. A particularly favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention also provides that in each of the fuel cell systems at least one humidifier is arranged in the supply air before and/or after the second compressor stage, which is designed in particular in the form of a one- or two-material nozzle. The humidifier can therefore be designed simply in the form of a one- or two-component nozzle. These humidifiers can be arranged in the supply air before and/or after the second compressor stage. As a result, the compression by the injected water, for example finely atomized water from a two-component nozzle, is correspondingly moist and atomized in the two-component nozzle by the air flowing around the actual water nozzle. This atomized water helps keep the hot when compacting to cool the air that is being generated and is thereby evaporated in the air, so that it is ideally humidified. Humidification can take place independently of the operation of the fuel cell, particularly when the corresponding humidifier is electrically driven, which is another very important advantage over a much more complex, larger and more expensive gas/gas humidifier, which can be saved with this design.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist. Further advantageous refinements of the fuel cell system according to the invention also result from the exemplary embodiment which is illustrated in more detail below with reference to the figures.

Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung. The only attached figure shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.

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. The fuel cell system 1 shown in the figure comprises a common air conveying device 2, which is designed here in the form of two flow compressors 3, 4 connected in series in two stages. Each of the two flow compressors 3, 4 comprises an electric drive machine 5, 6 and, together with the respective electric drive machine 5, 6, arranged on a common shaft 7, two symbolically illustrated compressor wheels 8, 9 on one, here the left, and 10, 11 on the other, here the right side. In the exemplary embodiment shown here, the intake air reaches the compressor wheels 9, 11 of the first stage via a common air filter 12. The air filter 12 can, for example, be constructed as an activated carbon filter or, in particular, include such a filter in order to protect the fuel cell system not only from particles and dust but also from undesired chemical loads in the intake air.

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. The two flow compressors 3, 4 can be magnetically mounted, for example. They are in two stages and thus connected in series on each of their sides and are operated isobaric. The right side of the structure with the compressor wheels 8, 9 supplies a first fuel cell system 13 with air. The other side with the compressor wheels 10, 11 supplies an identically constructed fuel cell system 14 on the other side of the figure. Each of these two fuel cell systems 13, 14 comprises two fuel cell stacks 15, 16 and 17, 18, which are fluidic, i.e. with regard to the supply of air and hydrogen, within each of the fuel cell systems 13, 14 are connected in parallel to one another and, for example, obtain hydrogen from a common hydrogen source, which is shown here twice and is each designated 19, which is designed in particular as a structure made up of a large number of compressed gas storage devices, cryogenic storage devices, metal hydride storage devices or, in principle, systems for on-board hydrogen production could be.

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. Electrically, the respective fuel cell stacks 15, 16 of one fuel cell system 13 and the fuel cell stacks 17, 18 of the other fuel cell system 14 are all connected in series, as indicated here by the schematically indicated electrical connection to an exemplary battery system designated 21 for hybridizing the fuel cell system 1 . In the case of a higher battery voltage, a current flowing to the fuel cell stacks 15, 16 and 17, 18, which would cause electrolysis there, is prevented via a blocking diode 20. At least one of the fuel cell systems 13, 14, but preferably both, each have a freewheeling diode, designated 22, in parallel with the series-connected fuel cell stacks 15, 16 and 17, 18. One of the fuel cell systems 13, 14 can thus be bypassed for emergency operation if it fails.

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. The structure of the fuel cell system 13, which, like the fuel cell system 14, is shown here purely by way of example and in simplified form, will be discussed in more detail below. The two fuel cell systems 13, 14 are designed identically to one another and are shown here mirrored, with both fuel cell systems 13, 14 using their own peripheral parts and components on the cathode and anode side, for example water separators, an anode circuit, a cathode circuit, an anode recirculation fan and the like. They can have a common water supply system 23, which will be discussed in more detail in the following explanation.

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. In the air conveyor device 2, the compressor wheels 8, 10 and 9, 11 of both stages are designed symmetrically and the respective electric machine 5, 6 as a drive lies in between on the same shaft 7 work, minimized. On the one hand, this helps to reduce friction losses and, on the other hand, allows axial bearings to be designed in a simple and efficient manner. Via a common intake path or optionally also via two separate intake paths, air is sucked in through the air filter 12 by the compressor wheels 8 , 10 of the first flow compressor 3 .

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. From the compressor wheel 8 and 10, the compressed air reaches the compressor wheel 9 and 11 of the second flow compressor 4 via a register line 24, 25 it is therefore a register charge. The two flow compressors 3, 4 work isobaric in particular. In addition, a bypass line 28 is provided, each with a valve 29, 30 on the respective register line 24, 25, which in principle makes it possible to blow compressed air between the stages.

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. The following explanations are now only based on the fuel cell system 14 shown to the right of the dash-dotted dividing line, so that only in its area the components that are identical in the other fuel cell system 13 are provided with a reference number.

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. The fuel cell system 14 includes the two fuel cell stacks 17, 18, which are typically a stack of individual cells. They are connected electrically in series and fluidically in parallel. This applies to the fuel cell stack 15, 16 of the other fuel cell system 13 analogously. Unlike the components described below, these still have their own reference symbols due to the above explanation of the electrical wiring. The two fuel cell stacks 17, 18 each comprise an anode compartment 31 and a cathode compartment 32. These are provided with the same reference numbers in both fuel cell stacks 17, 18 and act as if they were an anode compartment 31 and a cathode compartment 32 due to the fluidically parallel connection only one anode space 31 or cathode space 32 is spoken of, even if both are meant.

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 Abluftbeziehungsweise 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. The cathode chamber 32 is now supplied with air via the air supply line 27 via the air conveying device 2 with its two stages. Exhaust air arrives via an exhaust air line 33 at a valve device denoted by 34 , this valve device 34 also being able to be designated as an exhaust air or exhaust gas recirculation valve 34 . Optionally, via this valve device 34, the exhaust air from the exhaust air line 33 in whole or in part via an exhaust air return line 35 in the bypass line 28 and from there into the Register lines 24, 25 are returned, or via the designated 36 part of the exhaust air line to an exhaust air turbine 37, which will be explained in more detail later.

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. The anode space 31 is supplied with hydrogen from the hydrogen storage device 19 . This hydrogen reaches the anode chamber 31 via a pressure control and metering device 38. Exhaust gas returns from the outlet of the anode chamber 31 to its inlet via an anode circuit with a recirculation line designated 39, in which a water separator 40 can be arranged, and flows into the mixed with fresh hydrogen into the anode chamber 31 in most operating states. In a manner known per se, a recirculation fan 41 can be arranged in the recirculation line 39 as an alternative or in addition to a gas jet pump (not shown). In the water separator 40 or alternatively in another area of the recirculation line 39, there is a blow-off line 42 with what is known as a blow-off valve or purge valve 43 or purge/darin valve, via which, for example, depending on the time, depending on the hydrogen concentration in the recirculation line 39, or depending on other parameters, gas from the recirculation line 39, optionally together with water from the water separator 40, is drained.

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. In this configuration of the fuel cell system 14, it is now possible to completely or partially recirculate moist exhaust air via the exhaust gas recirculation line 35 with a corresponding position of the valve device 34, so that the humidification of the air supply in the air supply line 27 to the cathode space 32 of the fuel cell stacks 17, 18 is supported. As an alternative or in particular in addition to the use of the liquid water system 23, which will be explained in more detail later, this can contribute to the fact that a conventional gas/gas humidifier can be dispensed with.

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. In contrast to conventional electric turbochargers, in which the pressure energy from the fuel cell system 14 is expanded and is also used to support the drive of the air compressor, this pressure cannot be used for the air conveying device 2 here. Instead of an electric drive of the recirculation fan 41, as is typically provided, it is now the case here that the exhaust air from the cathode chamber 32 flows via the exhaust air turbine 37 arranged in section 36 of the exhaust air line 33, which is coupled to the recirculation fan 41 in a power-transmitting manner, which here in the form of a common wave is indicated. This makes it possible to use the energy contained in the exhaust air from the cathode chamber 32 to drive the recirculation fan 41 in order to recover this energy and thus make the overall system more energy-efficient. It is particularly favorable if the coupling between the exhaust air turbine 37 and the recirculation fan 41 takes place magnetically. As a result, the two volumes, which carry hydrogen or hydrogen-containing gas on the one hand and air on the other, can easily be hermetically sealed from one another. In the figure, this is indicated by the two lines in the area of the shaft.

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 Unterdrück in dem Anodenkreislauf erreichen, was aus den später noch erläuterten Gründen sehr günstig ist. 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 Unterdrück erzeugt werden kann. Auch dies wird später hinsichtlich der besonders vorteilhaften Nutzung noch näher erläutert. It is now advantageous for the construction of the fuel cell system 14 shown here that both in the air supply line 27 and in the exhaust air line 33, and here in each case relatively close to the cathode chamber 32, a valve device 44 in the direction of flow in front of the cathode chamber 32 and a valve device 45 is arranged in the direction of flow after the cathode space 32. These valve devices 44, 45 can preferably, and this is how it is shown here, be designed as 3/2-way valves. Essentially, however, they could also be realized by independent valve devices, which are arranged both in the supply air line 27 and in the exhaust air line 33 and which would also be arranged in a cathode bypass 46 . Essentially, the point is that the cathode bypass 46 can be switched via the valve devices 44 , 45 , specifically with the cathode space 32 closed off or the volume comprising the cathode space 32 closed off. Unlike a pure system bypass, the cathode bypass 46 is provided with a gas jet pump 47, which can be designed, for example, in the manner of a Venturi tube. However, any other type of gas jet pump or ejector or jet pump is also conceivable, as long as gases can be sucked in as a propellant gas flow from the air flowing around the cathode chamber 32 by negative pressure effects and/or momentum exchange. For this purpose, on the suction side, the gas jet pump 47 is connected to the blow-off line 42 , which can be switched via the purge valve 43 in order to connect the recirculation line 39 to the gas jet pump 47 . In this way, liquid and in particular gas can be sucked out of the anode circuit and thus also out of the anode space 31 . Since the anode circuit is otherwise sealed and forms a closed volume when the hydrogen supply is shut off, this allows a negative pressure to be achieved in the anode circuit, which is very favorable for the reasons that will be explained later. The gas jet pump 47 is also connected on the suction side via a cathode branch line 48 and a cathode suction valve 49 arranged therein to the cathode chamber 32 or to the volume lying between the valve devices 44, 45 and comprising the cathode chamber 32. The cathode branch line 48 can be arranged both before and after the cathode chamber 32 , that is to say with an opening into the air supply line 27 or the exhaust air line 33 . In principle, a direct connection to the fuel cell stack 17, 18 would also be conceivable, but this is technically far more complex than branching off from the corresponding line 27, 33. Here, too, gas can now be discharged through the gas jet pump 47 with the cathode suction valve 49 open when the cathode bypass 46 is in flow the cathode chamber 32, which means that when the valve devices 44, 45 are closed, a negative pressure can also be generated in the cathode chamber 32. This will also be explained in more detail later with regard to the particularly advantageous use.

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. The recirculation fan 41, which is driven by the turbine 37 in the part of the exhaust air line 33 designated by 36, can also be bypassed via a turbine bypass 50 if necessary. This has a throttle point 51 . The exhaust air turbine 37 can be bypassed by the exhaust air via a valve device 52, which is also designed here as a 3/2-way valve, so that the recirculation fan 41 is not driven. In the opposite case, in which the recirculation fan 41 is to be driven while the fuel cells 17, 18 of the fuel cell system 14 are not being supplied with air, a further valve device 53 is provided, which is connected via a line 54 to the section 36 of the exhaust air line 33 and thus allowing air to be injected directly into the area of the exhaust air turbine 37 . The line 54 thus forms a “classic” system bypass.

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. The liquid water system 23 already mentioned can preferably be filled with water which is recovered from the fuel cell system 14 . The fuel cell system 14 typically has the water separator 40 in the recirculation line 39 and another water separator 55 in the area of the exhaust air line 33, and here if possible before the exhaust air turbine 37. In the exemplary embodiment of the fuel cell system 14 shown here, the water from the water separator 40 reaches the gas jet pump 47 and the cathode bypass 46 also into the water separator 55. Alternatively, a parallel line would also be possible from the water separator 40, for example, into the water separator 55 or directly into a water tank 57 of the liquid water system 23, in which all the water from all the water separators 40, 55 of the fuel cell system 14 and also of the fuel cell system 13 collects. In the exemplary embodiment shown, a water line designated 56 is shown for this purpose, starting from the water separator 55 , which is taken up again in the drawing in the area of the liquid water system 23 and opens into the water tank designated 57 . As indicated via the heat exchanger 58 in the water tank 57, heat can be supplied to the water, for example via electrical heating. In particular, this can be formed by the freewheeling diodes 22 and their cooling as well as by the additional cooling of other power electronic components not shown here, such as a common PDU for the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 of the two fuel cell systems 13, 14.

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. The water stored in the water tank 57 ideally has a temperature of approx. 80° C., the water tank 57 therefore preferably has thermal insulation (not shown) in order to prevent the water tank 57 from cooling down quickly and unnecessarily. In the exemplary embodiment of the liquid water system 23 shown here, the insulated water tank 57 is followed by a water treatment system, designated 60, which can have corresponding water filters and ion exchangers. The liquid water collected from the two fuel cell systems 13, 14 is then used to humidify the supply air flowing to the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18. The explanation is again only on the side of the fuel cell system 14 and is to be understood analogously in the case of the fuel cell system 13 . Two branch lines 62, 63 are supplied with water via the supply line 61, which can be designed, for example, as a pressurized water line in the manner of a common rail and is supplied with water from the water tank 57 via a water pump 59, which branch lines can each be switched via the Valves designated 65 promote water to the humidifier 67 in the register line 24 and a humidifier 68 in the supply air line 27, ie after the second flow compressor 4.

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. Each of the humidifiers 67, 68 is preferably designed as a simple humidifier that atomizes the water with a single-component nozzle or a two-component nozzle. For example, it can be operated with electrical energy and thus independently of the operation of the fuel cell system 1 and controlled with regard to humidification. This means that, together with the exhaust gas recirculation, a complex conventional gas/gas humidifier can now be dispensed with during operation. This structure of the liquid water system 23 is also used in a similar way in internal combustion engine drives, in particular internal combustion engines with petrol injection. The components such as the water pump 59, the heatable water tank 57 and the humidifier 67, 68 are therefore available on the market as sufficiently tried and tested parts in large numbers and are therefore available at low cost.

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. Such a fuel cell system 14, and of course also the fuel cell system 13 analogously, with the cathode bypass 46 and the gas jet pump 47 arranged therein, which is driven by the air flowing parallel to the cathode compartment 32 and which can suck off both the cathode compartment 32 and the anode compartment 31 in a switchable manner, now enables numerous advantageous ways through which some problems can be solved which could not be solved or not comparable with previous fuel cell systems and the safety and in particular the longevity of the individual cells in the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 adversely affected.

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. As already mentioned, such a fuel cell system 14 now allows special advantages in operational management. With an appropriately set exhaust gas recirculation valve 34 , its compressor wheel 11 can be used during operation of the second flow compressor 4 in order to realize a recirculation of exhaust air around the cathode space 32 . At the same time, part of this recirculated air can flow through the cathode bypass 46 and thus through the gas jet pump 47 . This makes it possible, for example, to suck off gases from the anode compartment 31 and/or the cathode compartment 32 if the purge valve 43 or the cathode suction valve 49 is opened accordingly. Various applications are conceivable. For example, in the event of an accident, when crash sensors of a commercial vehicle (not shown here) that preferably has the fuel cell system 1 detect this accident, the hydrogen supply can be stopped. With the remaining volume flow when the flow compressors 3 , 4 coast down, gas can then be sucked out of the blocked cathode space 32 and the anode circuit and thus out of the anode space 31 . As a result, the (no-load) voltage of the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 can be reduced very quickly when the load is shed and the current is reduced to zero, in order to prevent the occupants of the vehicle and rescue workers from being endangered. The same applies to the reaction to an emergency stop being actuated Switch or a detected emergency in the fuel cell system 1 itself. This can also be applied analogously in stationary fuel cell systems.

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. Furthermore, the oxygen content in the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 can be reduced in order to limit the cell voltage, for which purpose a corresponding amount of oxygen-depleted exhaust air is recirculated via the exhaust gas recirculation valve 34 and the exhaust gas recirculation line 35, thereby also supporting the humidification of the supply air . If this is not sufficient, oxygen can also be actively sucked out of the cathode chamber 32 when the cathode suction valve 49 is open, by routing part of the supply air via the cathode bypass 46 and the gas jet pump 47, in order to limit the voltage in the individual cells in a more reliably controllable manner .

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. On the other hand, this possibility of influencing the stoichiometry of the individual fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 more or less downwards can also be reversed by the two stages of the air conveying device 2. This makes it possible to make a relatively large amount of oxygen available and thus to influence the stoichiometry in the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 in the other direction. The possibility of being able to have a major influence on the stoichiometry in the fuel cell system 1 by adapting and influencing the air supply, together with the parallel fluidic and electrical series connection of the fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 of the two fuel cell systems 13 already described above, 14 doing without complex power electronics.

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. 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. Rather, the structure of the fuel cell system, consisting of 980 individual cells, for example, can be controlled solely via the stoichiometry of the four fuel cell stacks 15, 16, 17, 18 mentioned with regard to the voltage. This therefore means that with a constant current from the fuel cell stacks 16, 16, 17, 18 of the fuel cell system 1, the provided and required voltage can be set according to the required operating points solely via the stoichiometry. The oxygen content can be increased by the two isobaric flow compressors 3, 4, and the oxygen content can be reduced when supplying the cathode compartment 32 by means of the exhaust gas recirculation measures described above through to the active extraction of oxygen-containing gas from the cathode compartment 32 . Two very crucial points for the operation of the fuel cell system 14 relate to a preparation for a freeze start, a so-called FSU (Freeze Start Up) preparation. Because it is possible to lower the pressure in the anode compartment 31 and in the cathode compartment 32, for example down to 100 mbar, water present in both the anode compartment 31 and in the cathode compartment 32 can be evaporated and actively sucked off via the gas jet pump 47. This can take place, for example, in a temperature window of 25 to 35° C. for the fuel cell stacks 17, 18. Unlike at higher temperatures, the membranes are largely prevented from drying out, so that the fuel cell stacks 17, 18 can be dried very gently. If the temperatures later fall below freezing point, the fuel cell stack 17, 18 can be prevented from freezing beyond a desired or tolerable level. If the temperatures rise above freezing again, active humidification can be carried out even without the fuel cell stacks 17, 18 being actively started, since liquid water is available via the liquid water system 27 and, for example, via the humidifier 68, which in particular is designed as an electric operated humidifier can be designed with single-component nozzle, can be easily and efficiently introduced into the supply air. As already mentioned, this can be circulated via the exhaust gas recirculation valve 34 in order to keep the membranes sufficiently moist on the one hand and on the other hand to be prepared for a freezing start at any time.

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. A strategy that has been customary up to now for preparing for the start is to achieve as long a time as possible in which an air/hydrogen front is prevented in the anode space 31 when the fuel cell system is started. This always occurs when the hydrogen has diffused out of the anode chamber 31 and air has penetrated. If fresh hydrogen is then replenished, this dreaded front occurs, which damages the anode accordingly and has an extraordinarily disadvantageous and severe effect on the service life of the fuel cell stacks 17, 18. The fuel cell system 14 in the embodiment variant shown here now has several options for preventing such an air/air start.

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. The first possibility is that the cathode space 32 can be appropriately evacuated. If there is no oxygen in this, the front cannot develop its damaging effect even if oxygen is present on the anode side and is displaced by hydrogen flowing in during the start. This easy way it can provide, for example, for the cathode to be permanently kept free of oxygen, which, given the tightness that usually occurs in the system, requires the cathode compartment 32 to be evacuated again, for example, every ten hours or the like. Since such a recurring evacuation is relatively risky for the membranes, since they can dry out, this procedure can be accompanied in particular by the humidification of the membranes described above when the temperatures are above freezing point and a safe and reliable start even with a certain residual moisture in the fuel cell system 1 is possible.

Eine zweite Möglichkeit, einen Air/Air-Start zu vermeiden, besteht darin, dass die Luft, welche während des Stillstands des Brennstoffzellensystems 14 auch in den AnodenraumA second possibility of avoiding an air/air start is that the air which also enters the anode chamber while the fuel cell system 14 is at a standstill

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. 31 has penetrated, before the start of the anode chamber 31 suck again, so to evacuate it. For this purpose, air is conveyed and flows via the cathode bypass 46 and the gas jet pump 47. When the purge valve 43 is open, the air which has penetrated into the anode space 31 during the standstill can be sucked off. This makes it possible to at least significantly reduce the oxygen content in the volume of the anode chamber 31 and ultimately also in the anode circuit before the hydrogen is metered in at the start. This also allows a gentle start to be implemented and the service life of the fuel cell stacks 17, 18 to be extended.

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 KathodenraumThe third option uses the generation of nitrogen or oxygen-depleted air, in particular air with an oxygen content of 0%, in order to achieve a very gentle start. For this purpose, the circulation around the cathode area

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. 32 used. Hydrogen metered into the anode circuit or residual hydrogen still present in it is sucked in via the gas jet pump 47 when the purge valve 43 is open and thus enters a circuit together with the oxygen-containing air, which is maintained by the operation of the second flow compressor 4 . The air then flows in a circuit around the cathode compartment 32. It flows partly through the cathode compartment 32 and partly through the cathode bypass 46. It then flows via the exhaust air line 33 and the exhaust gas recirculation valve 34 and the exhaust gas recirculation line 35 back into the register line 24 and from there through the compressor wheel 11 is driven back to the valve device 44 in the supply air line 27. The mixing of hydrogen and air in this operation now leads to a reaction of the hydrogen and the oxygen, for example on the catalysts of the anode chamber 31 or in the area of a specially provided not shown - catalyst, which for example, in the cathode bypass 46 after the gas jet pump 47 can be arranged. In the case of the additional catalytic converter, the cathode chamber 32 does not have to be continuously flowed through in order to generate the nitrogen. This reduces the drying out of the membranes and protects them. If necessary, however, they could also be remoistened, as explained above.

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. The fourth option for avoiding an air/air start is to a certain extent a combination of the second and the third option. A hydrogen metering line is also required for this, via which hydrogen can be metered onto the cathode side. This hydrogen metering line is connected to the gas jet pump 47 in the cathode bypass 46 in a manner similar to or as an alternative to the purge line 42 . It is thus possible to meter hydrogen via the hydrogen metering line onto the cathode side of the fuel cell system 14 without this hydrogen having to flow through the anode space 31 beforehand. Oxygen in the air can thus be consumed by the catalytic converter already mentioned above, which is connected downstream of the gas jet pump 47 in the circuit around the cathode space 32 . This is then recirculated autonomously in this circuit with the aid of the valve devices 44, 45 and the exhaust gas recirculation valve 34 and through the operation of the compressor wheel 11. This continues until the oxygen content in the original air is reduced to less than 1 percent by volume, in particular to approximately 0 percent by volume, with the aid of the catalyst and the hydrogen entering the circuit via the hydrogen metering line in the area of the mixing point in the gas jet pump 47 becomes. The gas then recirculated is thus virtually free of oxygen and essentially consists of nitrogen.

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. This gas is heated at the same time by the recirculation via the compressor wheel 11, which promotes the catalytic reaction in the catalyst in order to convert oxygen and hydrogen efficiently. A temperature range of approx. +60 to +80° C is ideal for this. This allows the catalytic conversion to be controlled very well in order to avoid unwanted nitrogen oxides within the closed volume. These nitrogen oxides as a by-product are undesirable due to the emissions of the same occurring later, but would not further impair the service life of the fuel cell stacks 17, 18.

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. After some time, all the oxygen will be used up if sufficient hydrogen is available or has been replenished accordingly. In the whole Circulation is now gas, which is depleted to 0% oxygen. This is essentially nitrogen, excluding carbon dioxide and some noble gases, which do not adversely affect the process. Now that nitrogen is present in the circuit, the purge valve 43 can be opened and the second flow compressor 4 can be switched off. The cathode suction valve 48 and/or the valve devices 44, 45 are opened. The nitrogen then flows back into the fuel cell stack 17, 18 via the purge line 42 and the cathode branch line 48 and/or the air supply line 27, so that these are filled with nitrogen. This enables an extraordinarily gentle start during the next start process, without the damaging mechanisms of the air/air start occurring.

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. A fifth possibility can also be ideally used in the construction of the fuel cell system 14 in combination with the previously customary way of keeping the hydrogen in the system. Ideally, using a slight static overpressure compared to the air pressure in the surrounding atmosphere, the volumes of both the anode chamber 31 and the cathode chamber 32 are filled with hydrogen and kept under a slight overpressure in order to ensure that the volume is completely inerted by a hydrogen concentration of almost 100 percent realize. Before the regular start, the residual hydrogen present in the cathode compartment 32 can now be removed again via the gas jet pump 47 and its operation by the supply air that has already been pumped but does not flow into the cathode compartment 32, in that the hydrogen is completely sucked out of the cathode compartment 32 before the cathode compartment 32 is then acted upon by opening the valve device 44 in the direction of the cathode space 32 with oxygen or the oxygen-containing air in order to start the fuel cell system 14 or its fuel cell stack 17, 18 can.

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. In order to still get oxygen into the anode chamber 31 from time to time in order to oxidize accumulated CO poisoning there, the fuel cell stacks 17, 18 can be evacuated again using the gas jet pump 47 in the cathode bypass 46. With the purge valve 43 open, the Air compressor air or oxygen-containing gas in the area of the anode chamber 31 reach. In principle, the passive oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide is conceivable. It becomes more efficient when the recirculation conveyor device 31 is operated, for example by the overflow of air into the anode circuit, the air conveying device 2 or one of its stages is operated again with the purge valve 43 initially closed, in order to drive the recirculation conveying device 41 in the form of the blower via the exhaust air turbine 37 in the exemplary embodiment shown here. The refresh of the catalyst is then completed after a short time, for example on the order of less than a minute. The oxygen-containing gas can then be sucked out of the anode circuit again by opening the purge valve 43 again, and the system can be filled with nitrogen, for example, in the manner described above, in order to prepare it for the next start.

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. All of this applies analogously to the other fuel cell system 13 with its fuel cell stacks 15, 16 and is preferably always carried out in both fuel cell systems 13, 14 at the same time.

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellenanlage (1) mit zwei parallelen Brennstoffzellensystemen (13, 14), welche jeweils wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (15, 16, 17, 18) mit anodenseitiger und kathodenseitiger Peripherie umfassen, und mit einer gemeinsamen Luftfördereinrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (2) zweistufig ausgebildet ist, wobei beide Stufen in Form von Strömungsverdichtern (3, 4) ausgebildet sind, welche jeweils ein Verdichterrad (8, 9, 10, 11 ) je Stufe aufweisen, wobei die Verdichterräder (8, 9; 10, 11 ) für das eine und das andere Brennstoffzellensystem (13; 14) symmetrisch zu wenigstens einer elektrischen Maschine (5, 6) auf einer Welle (7) angeordnet sind. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stufen eine elektrische Antriebsmaschine (5, 6) und zwei Verdichterräder (8, 10; 9, 11) aufweist, welche symmetrisch zu der elektrischen Maschine (5, 6) angeordnet sind, jeweils das eine für das eine und das andere für das andere der Brennstoffzellensysteme (13; 14). Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stufen der Luftfördereinrichtung (2) für einen isobaren Betrieb ausgelegt sind. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenstapel (15, 16, 17, 18) der Brennstoffzellensysteme (13, 14) elektrisch in Reihe verschaltet sind. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Brennstoffzellensysteme (13, 14) zwei Brennstoffzellenstapel (15, 16; 17, 18) aufweist, welche elektrisch in Reihe verschaltet sind. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellensysteme (13, 14) eine gemeinsame elektrische Leistungsverteilung umfassen. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (15, 16, 17, 18) wenigstens eines der Brennstoffzellensysteme (13, 14) parallel zu einer Freilaufdiode (22) angeordnet ist. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abluftleitung (33, 35, 36) aus einem Kathodenraum (32) des oder der Brennstoffzellenstapel (15, 16, 17, 18) jedes Brennstoffzellensystems (13,14) sowie wenigstens eine Brennstoffversorgungseinrichtung (19) zur Versorgung der Anodenräume (31) mit Brennstoff vorgesehen sind, wobei wenigstens ein Anodenkreislauf zur Rezirkulation von unverbrauchtem Brennstoff um den Anodenraum (31) oder die Anodenräume (32) jedes Brennstoffzellensystems (13,14) sowie wenigstens ein Kathodenbypass (46) zur Umgehung des Kathodenraums (32) oder der Kathodenräume (32) jedes Brennstoffzellensystems (13,14) vorgesehen ist, wobei der Kathodenbypass (46) jedes Brennstoffzellensystems (13,14) vor oder im Bereich einer Ventileinrichtung (44) in einer Zuluftleitung (26, 27) aus dieser abzweigt und nach oder im Bereich einer weiteren Ventileinrichtung (45) in einer Abluftleitung (26, 27) in diese mündet, wobei in dem Kathodenbypass (46) eine von der um den Kathodenraum (32) strömenden Luft antreibbare Gasstrahlpumpe (47) angeordnet ist, welche saugseitig mit dem Anodenraum (31) und/oder dem Kathodenraum (32) schaltbar verbunden ist. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Anodenkreislauf jeweils ein Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung (41) von einer Abluftturbine (37) in der Abluftleitung (36) des jeweiligen Brennstoffzellensystems (13,14) angetrieben ist. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Brennstoffzellensysteme (13,14) wenigstens ein Befeuchter (67, 68) in der Zuluft vor und/oder nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist, welcher insbesondere in Form einer Ein- oder Zwei-Stoffdüse ausgebildet ist. Claims Fuel cell system (1) with two parallel fuel cell systems (13, 14), each of which comprises at least one fuel cell stack (15, 16, 17, 18) with anode-side and cathode-side periphery, and with a common air conveying device (2), characterized in that the Air conveying device (2) is designed in two stages, both stages being designed in the form of flow compressors (3, 4) each having a compressor wheel (8, 9, 10, 11) per stage, the compressor wheels (8, 9; 10, 11) for one and the other fuel cell system (13; 14) are arranged symmetrically to at least one electrical machine (5, 6) on a shaft (7). Fuel cell system (1) according to Claim 1, characterized in that each of the stages has an electric drive machine (5, 6) and two compressor wheels (8, 10; 9, 11) which are arranged symmetrically to the electric machine (5, 6). , respectively one for one and the other for the other of the fuel cell systems (13; 14). Fuel cell system (1) according to Claim 1 or 2, characterized in that the two stages of the air conveying device (2) are designed for isobaric operation. Fuel cell system (1) according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the fuel cell stacks (15, 16, 17, 18) of the fuel cell systems (13, 14) are electrically connected in series. Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 4, characterized in that each of the fuel cell systems (13, 14) has two fuel cell stacks (15, 16; 17, 18) which are electrically connected in series. Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the fuel cell systems (13, 14) comprise a common electrical power distribution system. Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the at least one fuel cell stack (15, 16, 17, 18) of at least one of the fuel cell systems (13, 14) is arranged in parallel with a freewheeling diode (22). Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 7, characterized in that an exhaust air line (33, 35, 36) from a cathode space (32) of the fuel cell stack or stacks (15, 16, 17, 18) of each fuel cell system (13, 14 ) and at least one fuel supply device (19) for supplying the anode compartments (31) with fuel are provided, with at least one anode circuit for recirculating unused fuel around the anode compartment (31) or the anode compartments (32) of each fuel cell system (13, 14) and at least a cathode bypass (46) for bypassing the cathode space (32) or the cathode spaces (32) of each fuel cell system (13,14) is provided, the cathode bypass (46) of each fuel cell system (13,14) in front of or in the area of a valve device (44) branches off from this in a supply air line (26, 27) and opens into an exhaust air line (26, 27) after or in the region of a further valve device (45), with the cathode enbypass (46) one of those flowing around the cathode compartment (32). Air-driven gas jet pump (47) is arranged, which is switchably connected on the suction side to the anode compartment (31) and/or the cathode compartment (32). Fuel cell system (1) according to Claim 8, characterized in that in the respective anode circuit a fan is driven as a recirculation conveyor device (41) by an exhaust air turbine (37) in the exhaust air line (36) of the respective fuel cell system (13,14). Fuel cell system (1) according to one of Claims 2 to 9, characterized in that in each of the fuel cell systems (13, 14) at least one humidifier (67, 68) is arranged in the supply air before and/or after the second compressor stage, which in particular Form of a one- or two-material nozzle is formed.