Titel:

Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems, mehrstufiges Luftverdichtungssystem sowie Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems sowie ein nach dem Verfahren betreibbares mehrstufiges Luftverdichtungssystem. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Luftverdichtungssystem vorgeschlagen.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Neben Wasserstoff wird ein Oxidationsmittel benötigt, beispielsweise Sauerstoff. Als Sauerstofflieferant kann Luft dienen, die der Umgebung entnommen wird. Der Sauerstoff wird in den Brennstoffzellen zusammen mit dem Wasserstoff in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.

Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert wird die den Brennstoffzellen zugeführte Luft vorab verdichtet. Zum Einsatz gelangen dabei Luftverdichtungssysteme, die ein- oder mehrstufig sowie ein- oder mehrflutig ausgeführt sein können. In mobilen Anwendungen, in denen eine hohe Effizienz sowie eine hohe Ausfallsicherheit gefordert werden, insbesondere bei Nutzfahrzeugen, gelangen häufig zweistufige Luftverdichtungssysteme zum Einsatz. Diese umfassen eine erste Stufe mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter und eine zweite Stufe mit einem mittels einer Turbine angetriebenen Verdichter. Die zweite Verdichtungsstufe wird auch als Turbomaschine bezeichnet. Um beim Starten des mehrstufigen Luftverdichtungssystems die Turbomaschine zu starten, muss am Einlass der Turbine ein höherer Druck anstehen als am Einlass des Verdichters der Turbomaschine. Da im Startfall des Systems der Druck jedoch allein über die elektrisch angetriebene erste Verdichtungsstufe aufgebaut wird, ist prinzipbedingt der Druck am Einlass der Turbine geringer als der Druck am Einlass des Verdichters der Turbomaschine, so dass diese nicht anläuft.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Anlaufprobleme beim Starten eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems zu beseitigen oder zumindest zu mindern.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Luftverdichtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems, umfassend einen elektrisch angetriebenen ersten Verdichter und einen mittels einer Turbine angetriebenen zweiten Verdichter, wobei die Verdichter in einem Zuluftpfad und die Turbine in einem Abluftpfad eines Luftsystems zur Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird beim Starten des Luftverdichtungssystems die mittels des ersten Verdichters verdichtete Luft über einen Bypass zur Umgehung des zweiten Verdichters dem Brennstoffzellstapel zugeführt und der zweite Verdichter wird sowohl einlass- als auch auslassseitig über mindestens ein Ventil und/oder eine Drosselklappe an die Umgebung angeschlossen.

Beim Starten wird demnach die mit Hilfe des elektrisch angetriebenen ersten Verdichters verdichtete Luft am zweiten Verdichter vorbeigeführt. Zugleich wird über den Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung der am zweiten Verdichter anliegende Druck auf Umgebungsdruck gesenkt. Durch diese Maßnahmen kann sich am Einlass der Turbine ein Druck aufbauen, der über Umgebungsdruck und damit über dem Druck am Einlass des zweiten Verdichters liegt. Die zweite Verdichtungsstufe kann somit problemlos allein mit Hilfe der ersten Verdichtungsstufe gestartet werden.

Der Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Beispielsweise kann stromaufwärts und stromabwärts des zweiten Verdichters jeweils ein Ventil, beispielsweise ein 4-Wegeventil oder ein 3-Wegeventil, in den Zuluftpfad integriert sein. Die Ausführung der Ventile als 4-Wegeventil weist den Vorteil auf, dass über dieselben Ventile der Bypass an den Zuluftpfad anschließbar ist. Als Alternative zu zwei Ventilen kann stromaufwärts des zweiten Verdichters ein Ventil und stromabwärts des zweiten Verdichters eine Drosselklappe in den Zuluftpfad integriert sein. Das vorgeschlagene Verfahren kann demnach einfach und kostengünstig umgesetzt werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass nach dem Starten des Luftverdichtungssystems der Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung mit Hilfe des mindestens einen Ventils geschlossen wird, während der Bypass weiter offen gehalten wird. Aufgrund des mit Hilfe der Turbine bewirkten Druckaufbaus strömt dann die Luft über den Bypass rückwärts. Auf diese Weise kann das Hochlaufen der Turbine gedämpft werden, beispielsweise um ein Überdrehen der zweiten Verdichtungsstufe zu verhindern.

Um anschließend aus der Startphase in den Normalbetrieb überzugehen, wird vorgeschlagen, dass nach dem Schließen des Anschlusses des zweiten Verdichters an die Umgebung der Bypass geschlossen wird. Die mit Hilfe des ersten Verdichters verdichtete Luft wird dann nicht mehr über den Bypass, sondern über den zweiten Verdichter dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Zur Druckregelung kann auch im Normalbetrieb der Bypass zeitweise wieder geöffnet werden, so dass zumindest ein Teilstrom der verdichteten Luft über den Bypass am zweiten Verdichter vorbeigeführt wird.

Ferner wird vorgeschlagen, dass im Normalbetrieb des Luftverdichtungssystems zur Realisierung einer Pumpschutzfunktion der zweite Verdichter über das mindestens eine Ventil und/oder die Drosselklappe zumindest temporär an die Umgebung angeschlossen wird. Auf diese Weise kann ein unerwünschtes Pumpen verhindert werden, das eintritt, wenn eine durch das jeweilige Kennfeld eines Verdichters vorgegebene Pumpgrenze überschritten wird, so dass es zu einem Strömungsabriss und ggf. zu einer Strömungsumkehr kommt.

Alternativ oder ergänzend kann im Normalbetrieb des Luftverdichtungssystems zur Realisierung einer Pumpschutzfunktion der Bypass zur Umgehung des zweiten Verdichters geöffnet werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass beim Anhalten des Luftverdichtungssystems der Bypass zur Umgehung des zweiten Verdichters geöffnet wird. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann die zweite Verdichtungsstufe schneller abgebremst werden, so dass der Lagerverschleiß reduziert wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da in der Regel die Lager wegen der geforderten Ölfreiheit der Luft in einem Brennstoffzellensystem als Gaslager ausgeführt sind. Wird die sogenannte Abhebedrehzahl unterschritten, was beim Starten und Anhalten der Fall ist, fehlt ein „schmierender“ Luftfilm in den Lagern, so dass diese einer erhöhten Reibbelastung ausgesetzt sind. Die Reibbelastung wird gemindert, wenn das Anhalten durch die vorgeschlagene Maßnahme verkürzt wird.

Vorteilhafterweise wird zum Öffnen des Bypasses das mindestens eine Ventil oder mindestens ein weiteres Ventil betätigt, über das der Bypass an den Zuluftpfad angeschlossen ist. Wie bereits erwähnt, kann das mindestens eine Ventil, über welches der zweite Verdichter an die Umgebung anschließbar ist, als 4- Wegeventil ausgeführt sein, so dass hierüber zugleich der Bypass an den Zuluftpfad anschließbar ist. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des 4-Wegeventils wird dann die mit Hilfe des ersten Verdichters verdichtete Luft dem zweiten Verdichter und/oder dem Bypass zugeführt. Ferner kann das 4-Wegeventil so geschaltet werden, dass der Bypass geöffnet und der zweite Verdichter an die Umgebung angeschlossen ist. Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens werden in diesem Fall lediglich zwei 4-Wegeventile benötigt, von denen ein erstes stromaufwärts und ein zweites stromabwärts des zweiten Verdichters in den Zuluftpfad integriert ist.

Alternativ kann der Bypass mit Hilfe mindestens eines weiteren Ventils an den Zuluftpfad angeschlossen sein. Dieses ist dann bevorzugt als 3-Wegeventil ausgeführt. Vorzugsweise ist jeweils ein 3-Wegeventil stromaufwärts des zweiten Verdichters und stromabwärts des zweiten Verdichters in den Zuluftpfad inte- griert, weiterhin vorzugsweise jeweils stromaufwärts bzw. stromabwärts der Ventile für den Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung. Diese können dann ebenfalls als 3-Wegeventile ausgeführt sein, so dass insgesamt vier 3- Wegeventile benötigt werden, von denen jeweils zwei stromaufwärts und zwei stromabwärts des zweiten Verdichters im Zuluftpfad angeordnet sind.

Der Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung kann zudem über ein Ventil, beispielsweise ein 3-Wegeventil, und eine Drosselklappe realisiert werden. In diesem Fall ist vorzugsweise die Drosselklappe stromaufwärts und das Ventil stromabwärts des zweiten Verdichters in den Zuluftpfad integriert. Der Bypass kann dann über ein weiteres, vorzugsweise stromaufwärts der Drosselklappe in den Zuluftpfad integriertes Ventil, das weiterhin vorzugsweise als 3- Wegeventil ausgeführt ist, an den Zuluftpfad angeschlossen sein. Über eine weitere, in den Bypass integrierte Drosselklappe kann dann der Bypass stromaufwärts der Turbine mit dem Abluftpfad verbunden sein, so dass der Bypass nicht nur den zweiten Verdichter, sondern zugleich den Brennstoffzellenstapel umgeht.

Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene mehrstufige Luftverdichtungssystem umfasst einen elektrisch angetriebenen ersten Verdichter und einen mittels einer Turbine angetriebenen zweiten Verdichter. Die Verdichter sind dabei in einem Zuluftpfad und die Turbine in einem Abluftpfad eines Luftsystems zur Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Der zweite Verdichter ist über einen Bypass umgehbar. Erfindungsgemäß ist der zweite Verdichter über mindestens ein Ventil und/oder eine Drosselklappe sowohl einlass- als auch auslassseitig an die Umgebung anschließbar.

Die Anschließbarkeit des zweiten Verdichters an die Umgebung ermöglicht ein Absenken des Drucks auf Umgebungsdruck, so dass beim Starten des Luftverdichtungssystems mit Hilfe des elektrisch angetriebenen ersten Verdichters ein Druck am Einlass der Turbine erzeugt werden kann, der höher als der Druck am Einlass des zweiten Verdichters ist, so dass die zweite Verdichtungsstufe allein mit Hilfe der ersten Verdichtungsstufe gestartet werden kann.

Das vorgeschlagene mehrstufige Luftverdichtungssystem ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Mit Hilfe des Luftverdichtungs- systems sind demnach die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des Verfahrens erreichbar.

Der Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung wird bevorzugt mit zwei Ventilen oder einem Ventil und einer Drosselklappe erreicht. Sofern zwei Ventile vorgesehen sind, ist ein erstes Ventil stromaufwärts und ein zweites Ventil stromabwärts des zweiten Verdichters in den Zuluftpfad integriert. Sofern ein Ventil und eine Drosselklappe vorgesehen sind, ist vorzugsweise die Drosselklappe stromaufwärts und das Ventil stromabwärts des zweiten Verdichters in den Zuluftpfad integriert. Die Ventile können jeweils als Wegeventil, insbesondere als 4-Wegeventile oder als 3-Wegeventile, ausgeführt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist über das mindestens eine Ventil zugleich der Bypass an den Zuluftpfad anschließbar. In diesem Fall muss für den Anschluss des Bypasses an den Zuluftpfad kein weiteres bzw. zusätzliches Ventil vorgesehen werden. Das System kann somit vergleichsweise einfach und kostengünstig umgesetzt werden. Das mindestens eine Ventil ist in diesem Fall bevorzugt als 4-Wegeventil ausgeführt. Das heißt, dass es vier Wege bzw. Anschlüsse aufweist, und zwar zwei Anschlüsse an den Zuluftpfad, einen an den Bypass und einen an die Umgebung.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Bypass über mindestens ein weiteres Ventil an den Zuluftpfad angeschlossen. Dieses mindestens eine weitere Ventil ist vorzugsweise als 3-Wegeventil ausgeführt und stromaufwärts des mindestens einen Ventils und/oder der Drosselklappe für den Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung in den Zuluftpfad integriert. Auf diese Weise kann völlig unabhängig voneinander der Bypass geöffnet und/oder der zweite Verdichter an die Umgebung angeschlossen werden. Es werden zwar mehr Ventile benötigt, diese können jedoch vergleichsweise einfach ausgeführt sein.

Zur Reduzierung der Anzahl der Ventile wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass stromaufwärts des zweiten Verdichters eine Drosselklappe und stromabwärts des zweiten Verdichters ein Ventil, vorzugsweise ein 3-Wegeventil, in den Zuluftpfad integriert sind. Die Drosselklappe ersetzt in diesem Fall ein Ventil, so dass der Anschluss des zweiten Verdichters an die Umgebung mit Hilfe lediglich eines Ventils und einer Drosselklappe realisierbar ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Bypass zur Umgehung des zweiten Verdichters und des Brennstoffzellenstapels über eine weitere Drosselklappe mit dem Abluftpfad verbunden ist. Über den Bypass können dann der Zuluftpfad und der Abluftpfad kurzgeschlossen werden. Der Anschluss des Bypasses erfolgt in diesem Fall ebenfalls über ein Ventil und eine Drosselklappe, so dass die Anzahl der Ventile weiter reduziert werden kann.

Da der bevorzugte Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen mehrstufigen Luftverdichtungssystems ein Brennstoffzellensystem ist, wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Luftverdichtungssystem zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Luft vorgeschlagen. Das mehrstufige Luftverdichtungssystem trägt dazu bei, dass im Startfall Anlaufprobleme vermieden werden. Ferner kann der Verschleiß im Bereich der Lager reduziert werden, so dass Ausfallsicherheit steigt. Besonders bevorzugt handelt es sich daher bei dem Brennstoffzellensystem um ein mobiles Brennstoffzellensystem.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beim Starten,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 1 kurz nach dem Starten,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 1 im Normalbetrieb,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 1 in einem ersten Pumpschutzmodus,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 1 in einem zweiten Pumpschutzmodus, Fig. 6 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 1 beim Anhalten,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beim Starten,

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 8 kurz nach dem Starten,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 8 im Normalbetrieb,

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 8 in einem ersten Pumpschutzmodus,

Fig. 12 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 8 in einem zweiten Pumpschutzmodus,

Fig. 13 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Fig. 8 beim Anhalten.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem weis einen Brennstoffzellenstapel 5 auf, der zur Luftversorgung an ein Luftsystem mit einem Zuluftpfad 3 und einem Abluftpfad 4 angeschlossen ist. In das Luftsystem ist ein mehrstufiges Luftverdichtungssystem 1 integriert, das einen elektrisch angetriebenen ersten Verdichter 1.1 sowie einen mittels einer Turbine 2 angetriebenen zweiten Verdichter 1.2 umfasst. Die Verdichter 1.1, 1.2 sind in den Zuluftpfad 3 integriert, die Turbine 2 in den Abluftpfad 4, so dass der Turbine 2 die aus dem Brennstoffzellenstapel 5 austretende Abluft zugeführt wird. Mit Hilfe der Turbine 2 kann somit ein Teil der zuvor zum Verdichten der Luft eingesetzten Energie zurückgewon- nen werden. Da sich beim Verdichten die Luft erwärmt, sind hinter dem ersten Verdichter 1.1 ein Zwischenkühler 13 und hinter dem zweiten Verdichter 1.2 ein Kühler 14 sowie ein Wärmeübertrager 15 angeordnet. Der Wärmeübertrager 15 ist an einen Kühlkreis 16 angeschlossen, in den eine Kühlmittelpumpe 17 sowie ein Fahrzeugkühler 18 integriert sind. Über den Kühlkreis 16 wird zugleich der Brennstoffzellenstapel 5 gekühlt.

Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 5 neben Luft auch Wasserstoff benötigt, ist an den Brennstoffzellenstapel 5 ein Anodenkreis 19 angeschlossen, über den die Versorgung mit Wasserstoff erfolgt.

Beim Starten des Brennstoffzellensystems wird zugleich das mehrstufige Luftverdichtungssystem 1 gestartet. Hierzu wird zunächst der elektrisch angetriebene erste Verdichter 1.1 aktiviert. Die mit Hilfe des ersten Verdichters 1.1 verdichtete Luft wird über den Zuluftpfad 3 dem zweiten Verdichter 1.2 zugeführt. Im Startfall wird jedoch die verdichtete Luft über ein Ventil 7, das vorliegend als 4-Wegeventil ausgeführt und stromaufwärts des zweiten Verdichters 1.2 in den Zuluftpfad 3 integriert ist, in einen Bypass 6 umgeleitet und stromabwärts des zweiten Verdichters 1.2 über ein weiteres Ventil 8, das ebenfalls als 4-Wegeventil ausgeführt ist, wieder in den Zuluftpfad 3 eingeleitet. Der zweite Verdichter 1.2 wird somit umgangen. Zugleich sind die Ventile 7, 8 derart geschaltet, dass der zweite Verdichter 1.2 an die Umgebung angeschlossen ist, so dass der Druck am zweiten Verdichter 1.2 auf Umgebungsdruck absinkt. Dies hat zur Folge, dass sich mit Hilfe der verdichteten Luft ein Druck am Einlass der Turbine 2 einstellen kann, der größer als der Druck am Einlass des zweiten Verdichters 1.2 ist, so dass die Turbine 2 problemlos anlaufen kann.

Wie beispielhaft in der Figur 2 dargestellt, kann kurz nach dem Anlaufen bzw. Starten der Anschluss des zweiten Verdichters 1.2 an die Umgebung durch entsprechendes Schalten der Ventile 7, 8 wieder geschlossen werden, während der Bypass 6 kurzzeitig weiter offengehalten wird. Es kommt zu einem Druckaufbau am zweiten Verdichter 1.2, der zur Folge hat, dass der Bypass 6 rückwärts durchströmt wird. Damit einher geht eine Dämpfwirkung beim Hochlaufen, so dass ein Überdrehen verhindert wird. Werden anschließend die Ventile 7, 8 so geschaltet, dass auch der Bypass 6 geschlossen ist, kann aus der Startphase in den Normalbetrieb übergeleitet werden. Diese Schaltstellung der Ventile 7, 8 ist beispielhaft in der Figur 3 dargestellt. Zur Verdeutlichung des geschlossenen Bypasses 6 ist die den Bypass 6 darstellende Verbindung der Ventile 7, 8 nicht dargestellt.

Eine Variation des Normalbetriebs ist in der Figur 4 dargestellt. Der Bypass 6 (nicht dargestellt) bleibt weiterhin geschlossen, aber ein Anschluss an die Umgebung durch Öffnen des entsprechenden Anschlusses des stromabwärts des zweiten Verdichters 1.2 angeordneten Ventils 8 wird hergestellt. Auf diese Weise kann einem unerwünschten Pumpen des Verdichters 1.2 entgegengewirkt werden. Das Öffnen des Anschlusses des Ventil 8 führt demnach zu einem Pumpschutz.

Eine weitere Pumpschutzfunktion kann dadurch realisiert werden, dass - wie beispielhaft in der Figur 5 dargestellt - zeitweise der Bypass 6 wieder geöffnet wird. Auf diese Weise kann nicht nur einem unerwünschten Pumpen, sondern zugleich einem Überdrehen entgegengewirkt werden.

Beim Abstellen bzw. Anhalten des Luftverdichtungssystems 1 können zum Schutz der Gaslager vor erhöhtem Verschleiß die Ventile 7, 8 derart geschaltet werden, dass - wie beispielhaft in der Figur 6 dargestellt - nur der Bypass 6 offen ist. Auf diese Weise wird eine Bremswirkung erzielt, die zu einer Verkürzung der Abstellphase und damit zu einer Schonung der Gaslager führt.

In der Figur 7 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dargestellt, das sich von dem der Figur 1 lediglich durch die Ventile 7, 8, 9, 10 unterscheidet. Denn anstelle von zwei 4-Wegeventilen, sind vier 3-Wegeventile vorgesehen. Das heißt, dass die Ventile 7, 8 vorliegend als 3-Wegeventile ausgeführt sind. Hinzu kommen zwei weitere 3-Wegeventile, und zwar die Ventile 9, 10, über die der Bypass 6 an den Zuluftpfad 3 angeschlossen ist. Die gleichen, zuvor in Verbindung mit dem Brennstoffzellensystem der Figur 1 beschriebenen Funktionen lassen sich auch mit dem Brennstoffzellensystem der Figur 7 realisieren, so dass auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Figur 8 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, das ebenfalls alle zuvor beschriebenen Funktionen ermöglicht, jedoch anders verschaltet ist. Anstelle der zwei 4-Wegeventile oder der vier 3-Wegeventile sind zwei als 3- Wegeventile ausgeführte Ventile 8, 10 sowie zwei Drosselklappen 9, 12 vorgesehen. Der Anschluss des zweiten Verdichters 1.2 an die Umgebung erfolgt über eine erste Drosselklappe 9, die stromaufwärts des Verdichters 1.2 in den Zuluftpfad 3 integriert ist, sowie über ein erstes Ventil 8, das stromabwärts des zweiten Verdichters 1.2 in den Zuluftpfad 3 integriert ist. Der Bypass 6 ist über das weitere Ventil 10 an den Zuluftpfad 3 und über die weitere Drosselklappe 12 an den Abluftpfad 4 angeschlossen. Der Bypass 6 umgeht demnach nicht nur den zweiten Verdichter 1.2, sondern zugleich den Brennstoffzellenstapel 5.

Beim Starten wird das Ventil 10 so geschaltet, dass die mit Hilfe des ersten Verdichters 1.1 verdichtete Luft aus dem Zuluftpfad 3 in den Bypass 6 umgeleitet und über die Drosselklappe 12 stromaufwärts der Turbine 2 in den Abluftpfad 4 eingeleitet wird. Dadurch erhöht sich der Druck am Einlass der Turbine 2, während der Druck am zweiten Verdichter 1.2 sinkt, da zeitgleich über die Drosselklappe 9 und das Ventil 8 der zweite Verdichter 1.2 an die Umgebung angeschlossen ist. Die Turbine 2 kann somit problemlos anlaufen.

Kurz nach dem Anlaufen kann das Ventil 8 derart geschaltet werden, dass der Anschluss an die Umgebung geschlossen ist, während der Bypass 6 über das Ventil 10 zunächst noch offengehalten wird. Dies führt zu einem Druckaufbau am zweiten Verdichter 1.2 und der Bypass 6 wird in umgekehrter Richtung durchströmt. Auf diese Weise wird einem zu schnellen Hochdrehen und damit einem Überdrehen entgegenwirkt (siehe Figur 9).

Zum Überleiten in den Normalbetrieb kann durch Schalten des Ventils 10 der Bypass 6 geschlossen werden, so dass die mit Hilfe des ersten Verdichters 1.1 verdichtete Luft vollständig dem zweiten Verdichter 1.2 und damit dem Brennstoffzellenstapel 5 zugeführt wird (siehe Figur 10). Zur Verdeutlichung, dass der Bypass 6 geschlossen ist, wurde auf die Darstellung des Bypasses 6 in der Figur 10 verzichtet.

Zur Realisierung einer Pumpschutzfunktion kann - wie beispielhaft in der Figur

11 dargestellt - im Normalbetrieb das Ventil 8 derart geschaltet werden, dass der Anschluss zur Umgebung geöffnet ist. Der Bypass 6 ist weiterhin geschlossen (und daher nicht dargestellt).

Alternativ kann - wie beispielhaft in der Figur 12 dargestellt - durch entspre- chendes Schalten des Ventils 10 der Bypass 6 geöffnet werden, so dass dieser analog der Figur 9 in umgekehrter Richtung durchströmt wird. Auf diese Weise kann neben der Pumpschutzfunktion zugleich ein Schutz vor Überdrehen erzielt werden. Ferner kann beim Anhalten bzw. Abstellen des Systems eine zusätzliche

Bremswirkung dadurch erzielt werden, dass bei geöffnetem Bypass 6 der zweite Verdichter 1.2 vom ersten Verdichter 1.1 durch entsprechendes Schalten des Ventils 10 getrennt wird (siehe Figur 13).