Titel:

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems, das mindestens ein in einem Kathodenpfad und/oder in einem Anodenpfad angeordnetes Aggregat mit einer Welle umfasst, die über mindestens ein Gasla ger drehbar gelagert ist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.

Stand der Technik

In einem Brennstoffzellensystem (engl.: „fuel cell System“, FCS) wird Sauerstoff benötigt, der in einer Brennstoffzelle des System mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung geliefert, die als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden kann. Als Sauerstoffquelle dient in der Regel Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftförder- bzw. Luft verdichtungssystems zugeführt wird. Denn der Prozess erfordert einen bestimm ten Luftmassenstrom und/oder ein bestimmtes Druckniveau.

Zum Verdichten der Luft wird in der Regel eine thermische Strömungsmaschine verwendet. Um optional zur Luftverdichtung eine Energie-Rückgewinnung zu er zielen, kann beispielsweise ein Abgasturbolader mit mindestens einem Verdich terrad als Verdichter bzw. Kompressionseinrichtung und einer Turbine zur Ener gie-Rückgewinnung eingesetzt werden. Der Turbine wird hierzu die abströmende feuchte Luft zugeführt. Höhere Systemdrücke können insbesondere mit Hilfe mehrstufiger Luftverdichtungssysteme erzielt werden. Ein derartiges mehrstufi- ges Luftverdichtungssystem mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdich ter als erster Kompressionsvorrichtung und einem Abgasturbolader als zweiter Kompressionsvorrichtung, die in Reihe geschaltet sind, geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 087912 Al hervor.

Da hohe Systemdrücke hohe Drehzahlen erfordern, werden die rotierenden Bau teile des Verdichters eines Luftverdichtungssystems häufig über Gaslager gela gert, um die Reibungsverluste möglichst gering zu halten. Gaslager weisen zu dem den Vorteil auf, dass aufgrund der fehlenden Schmierung die geforderte Ölfreiheit des Systems einfach zu realisieren ist. Soll jedoch ein Start- Stopp- Betrieb des Brennstoffzellensystem ermöglicht werden, erweist sich die Gaslage rung der rotierenden Bauteile bzw. der Rotorwelle des Verdichters als Nachteil. Denn bei jedem Start- bzw. bei jedem Stopp-Vorgang durchläuft die Rotorwelle einen kritischen Betriebsbereich, bei dem die Drehzahl der Rotorwelle unter der Abhebedrehzahl liegt, so dass es zum Kontakt der Rotorwelle mit dem jeweiligen Lagerbauteil und damit zu einer signifikanten Reibung kommt. Die Folge ist eine vorzeitige Alterung/Degradation der Lager.

Sofern die Rotorwelle des Verdichters elektromotorisch antreibbar ist, kann das Durchlaufen des kritischen Betriebsbereichs durch kurzzeitiges Beschleunigen (beim Starten) bzw. Abbremsen (beim Stoppen) gezielt verkürzt werden, so dass die Reibbeanspruchung verringert wird. Bei einem Verdichter, der nicht elektro motorisch antreibbar ist, ist dieser Eingriff jedoch nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das ein Aggregat mit einer gasgelagerten Welle um fasst, möglichst verschleißarm zu gestalten, und zwar insbesondere im Start- Stopp- Betrieb. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkma len des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens ein in einem Kathodenpfad und/oder in einem Anodenpfad des Brennstoffzellensystems angeordnetes Aggregat mit einer Welle umfasst, die über mindestens ein Gaslager drehbar gelagert ist. Bei dem Aggregat kann es sich insbesondere um eine thermische Strömungsmaschine eines ein- oder mehrstufig ausgeführten Luftverdichtungssystems handeln. In diesem Fall ist das Aggregat bevorzugt im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems angeordnet. Das Aggregat kann auch ein Rezirkulationsgebläse oder eine Rezirkulations- pumpe sein, das bzw. die im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems angeord net ist. Erfindungsgemäß wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren das mindes tens eine Gaslager zumindest temporär mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt.

Mit Hilfe der Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung kann der Verschleiß im Gaslager verringert werden, und zwar insbesondere dann, wenn die Drehzahl der Welle unterhalb der Abhebedrehzahl liegt und es üblicherweise zu einem Reibkontakt zwischen der Welle und dem Lagerbauteil kommt. Dies ist bei jedem Start- bzw. Stopp-Vorgang eines dem Antrieb eines Fahrzeugs dienenden Brennstoffzellensystems der Fall, so dass vorzugsweise das mindestens eine Gaslager zumindest während eines Start-bzw. Stopp-Vorgangs mit Wasser ge schmiert und/oder gekühlt wird. Alternativ oder ergänzend kann das mindestens eine Gaslager immer dann mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt werden, wenn sich das Fahrzeug im Leerlauf befindet, bei längeren Bergabfahrten und/oder bei Staufahrten („Stop-and-Go“) des Fahrzeugs. Denn auch in diesen Fällen kann es zu einer Unterschreitung der Abhebedrehzahl kommen. Ferner kann sich die Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung beim Befahren einer Schlechtwegstrecke als vorteilhaft erweisen, da dadurch das mindestens eine Gaslager geschont wird, und/oder bei bereits beschädigtem Gaslager. Die vor geschlagene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung eröffnet die Option, das Gaslager auch als Gleitlager zu betreiben.

Die vorgeschlagene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung des mindes tens einen Gaslagers kann demnach insbesondere event-getriggert sein, das heißt durch ein bestimmtes Ereignis (z.B. Start- Stopp- Betrieb, Leerlauf, Bergab fahrten und/oder Staufahrten des Fahrzeugs). Die Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung des mindestens einen Gaslagers erfolgt in diesem Fall temporär, und zwar zumindest über die Dauer des jeweiligen Ereignisses. Das mindestens eine Gaslager kann aber auch - ereignisunabhängig - periodisch oder dauerhaft mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt werden. Bei dem mindestens einen Gaslager kann es sich sowohl um ein Radiallager als auch um ein Axiallager handeln. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Aggregate bekannt, deren Wellen jeweils über zwei Radiallager und zumindest ein Axiallager drehbar gelagert sind. Sofern mehr als nur ein Gaslager vorhanden ist, werden vorzugsweise sämtliche Gaslager mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt.

Durch die vorgeschlagene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung kann die Beanspruchung des Gaslagers deutlich gesenkt bzw. die Anzahl der zu ertra genden Start- Stopp-Vorgänge gesteigert werden. Die geforderte Ölfreiheit des Systems bleibt dabei erhalten. Mit Wasser wird zudem ein Medium zur Schmie rung und/oder Kühlung des mindestens einen Gaslagers eingesetzt, das dem System inhärent und damit systemverträglich ist. Aufgrund der geringeren Bean spruchung können ggf. auch Lagerbauteile aus Kunststoff verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Schmierung und/oder Kühlung des mindestens einen Gaslagers Wasser verwendet, das ei nem separaten Wasserversorgungs- oder Wassertanksystem entnommen wird. Bei dem separaten Wasserversorgungs- oder Wassertanksystem kann bei spielsweise um ein der Kühlung des Brennstoffzellensystems dienenden Kühl kreis handeln, der bereits vorhanden ist und somit für eine weitere Anwendung nutzbar gemacht wird. Auf diese Weise kann die Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung des mindestens einen Gaslagers einfach, das heißt mit einem geringen Zusatzaufwand realisiert werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Brennstoffzellensystem vorhandenes Wasser abgeschieden, gesammelt und zur Schmierung und/oder Kühlung des mindestens einen Gaslagers verwendet wird. Auf diese Weise kann im System anfallendes und üblicherweise abzuführendes Wasser einer Nutzung zugeführt werden. Auch diese Ausführungsform ist einfach umzusetzen, und zwar insbesondere dann, wenn das im Brennstoffzellensystem anfallende Pro zesswasser bereits einer Nutzung zugeführt wird, so dass Mittel zum Abscheiden und Sammeln von Wasser bereits vorhanden sind. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik Brennstoffzellensysteme bekannt, die Prozesswasser sam meln und in den Kathodenpfad zur Befeuchtung der Kathodenzuluft einspritzen. Die Verwendung von vorhandenem Wasser bzw. Prozesswasser ist insbesonde re dann von Vorteil, wenn das Brennstoffzellensystem bereits über ein separates Wasserversorgungs- oder Wassertanksystem verfügt.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das zur Schmierung und/oder Kühlung des mindestens einen Gaslagers vorgesehene Wasser mit Hilfe eines Ventils und/oder einer Pumpe und/oder einer Pumpe-Düse-Einheit dem Gaslager zuge führt wird. Auf diese Weise kann eine bestimmte Menge Wasser gezielt zudosiert werden. Neben der Menge kann auch der Zeitpunkt der Wassereinspritzung ge nau vorgegeben werden.

Da Wasser bei tiefen Temperaturen gefriert, wird zur Vermeidung einer Funkti onsbeeinträchtigung und/oder Beschädigung des Systems vorgeschlagen, dass das dem mindestens einen Gaslager zur Schmierung und/oder Kühlung zuge führte Wasser passiv oder aktiv wieder entfernt wird.

Beispielsweise kann das dem mindestens einen Gaslager zur Schmierung und/oder Kühlung zugeführte Wasser über einen Drainage- Kanal abgeführt wer den. Das Wasser kann in diesem Fall passiv, insbesondere schwerkraftgetrie ben, entfernt werden.

Alternativ oder ergänzend kann das dem mindestens einen Gaslager zur Schmierung und/oder Kühlung zugeführte Wasser mit Hilfe einer Pumpe rückge saugt werden. Dieses Verfahren erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn bereits eine Pumpe vorhanden ist, beispielsweise um das Wasser in das mindes tens eine Gaslager einzudosieren. Die Pumpe ist in diesem Fall als eine Pumpe mit Rücksaugfunktion auszulegen.

Alternativ oder ergänzend kann aber auch das dem mindestens einen Gaslager zur Schmierung und/oder Kühlung zugeführte Wasser durch Luftzufuhr ausge blasen werden. Beispielsweise kann dem Gaslager Luft zugeführt werden, die dem Brennstoffzellensystem als Kühlluft und/oder Sperrluft dient. Darüber hinaus kann Luft aus der Umgebung aktiv angesaugt und zum Ausblasen des Gaslagers genutzt werden. Bei einem Startvorgang eingebrachtes Wasser kann zudem passiv durch Erwärmung des Lager- Rotor- Systems verdampfen bzw. verdunsten und mit der Kühlluft bzw. Sperrluft bzw. Leckageluft ausgetragen werden. Durch das aktive Entfernen von Wasser kann die Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung des mindestens einen Gaslagers auf einen konkreten Zeitraum begrenzt werden. Während der übrigen Zeit kann das Lager als reines Gaslager betrieben werden.

Das dem mindestens einen Gaslager zur Schmierung und/oder Kühlung zuge führte und anschließend wieder entfernte Wasser kann abgeführt oder einem Wasserkreislauf zugeführt werden. Ist Letzteres der Fall, bleibt das Wasser dem System erhalten und kann erneut zur Schmierung und/oder Kühlung des mindes tens einen Gaslagers eingesetzt oder einer anderen Nutzung zugeführt werden. Das Wassers wird vorzugsweise in einen Wasserkreislauf eingespeist, dem das Wasser zuvor entnommen worden ist.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Brennstoffzellensys tem vorgeschlagen, das mindestens ein in einem Kathodenpfad und/oder in ei nem Anodenpfad des Brennstoffzellensystems angeordnetes Aggregat mit einer Welle umfasst, die über mindestens ein Gaslager drehbar gelagert ist. Erfin dungsgemäß ist das mindestens eine Gaslager zumindest temporär wasserge schmiert und/oder wassergekühlt.

Durch die vorgeschlagene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung der Wel le kann das Aggregat des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems besonders verschleißarm betrieben werden. Insbesondere kann die Reibung im Gaslager gemindert werden, wenn es zu einem Reibkontakt der Welle mit einem Lager bauteil kommt, beispielsweise im Start- Stopp- Betrieb, im Leerlauf, bei einer län geren Bergabfahrt, einer Staufahrt („Stop-and-Go“) oder beim Befahren einer Schlechtwegstrecke. Denn mit Hilfe des Wassers wird ein Wasserfilm im Gasla ger erzeugt, der die Reibbelastung senkt.

Die vorgeschlagene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung kann auf be stimmte Momente beschränkt werden, so dass das Gaslager lediglich temporär wassergeschmiert und/oder wassergekühlt ist. Dies können insbesondere Mo mente sein, in denen zumindest eins der vorstehend genannten Ereignisse, wie beispielsweise Start- Stopp- Betrieb, Leerlauf, Bergabfahrt, Staufahrt, Schlecht wegstrecke und/oder Lagerverschleiß eintritt, so dass die Gefahr eines Reibkon- takts sehr groß ist. Darüber hinaus kann das mindestens eine Gaslager perio disch oder dauerhaft wassergeschmiert und/oder wassergekühlt sein.

Die Reibverminderung steht zwar im Vordergrund, aber durch eine verbeserte Kühlung kann die Temperaturbelastung des minestens einen Gaslagers gesenkt werden, was sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer des Gaslagers auswirkt.

Mit Hilfe der zumindest temporären Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung wird die Lebensdauer des Aggregats gesteigert. Zugleich erhöht sich die Le bensdauer des das Aggregat aufweisenden Brennstoffzellensystems.

Das mindestens eine Gaslager, das zumindest temporär wassergeschmiert und/oder wassergekühlt ist, kann ein Radiallager und/oder ein Axiallager sein. Beispielsweise kann die Welle über zwei Radiallager und mindestens ein Axialla ger drehbar gelagert sein, die allesamt als Gaslager ausgeführt sind. Die Ausfüh rung als Gaslager stellt die geforderte Ölfreiheit des Systems sicher. Bei dem Medium Wasser, dass zumindest temporär zur Schmierung und/oder Kühlung des Gaslagers eingesetzt wird, handelt es sich um ein Medium, das dem System inhärent ist und somit systemverträglich und verfügbar ist.

Des Weiteren bevorzugt ist das mindestens eine Aggregat, das die gasgelagerte Welle aufweist, eine thermische Strömungsmaschine eines ein- oder mehrstufig ausgeführten Luftverdichtungssystems. Durch die Gaslagerung der Welle der thermische Strömungsmaschine kann die geforderte Ölfreiheit garantiert werden. Zugleich kann durch die vorgeschlagene Wasserschmierung und/oder Wasser kühlung ein verschleißarmer Betrieb gewährleistet werden, und zwar insbeson dere dann, wenn die Welle der thermischen Strömungsmaschine nicht elektro motorisch angetrieben wird. In kritischen Betriebsbereichen, beispielsweise im Start- Stopp- Betrieb, kann mit Hilfe der Wasserschmierung und/oder Wasserküh lung ein Wasserfilm erzeugt werden, der die Reibbelastung im Lager senkt. Wird die Welle der thermischen Strömungsmaschine elektromotorisch angetrieben, kann zusätzlich durch gezieltes Beschleunigen bzw. Abbremsen die Dauer der Belastung verringert werden. Die vorgeschlagene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung erweist sich demnach in beiden Fällen als vorteilhaft. Die Luftverdichtung mit Hilfe der thermischen Strömungsmaschine erfolgt im Ka thodenpfad des Brennstoffzellensystems. Entsprechend ist die thermische Strö mungsmaschine im Kathodenpfad des Systems angeordnet. Das Aggregat, des sen gasgelagerte Welle zumindest temporär wassergeschmiert und/oder was sergekühlt ist, kann aber auch im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems an geordnet sein. Beispielsweise kann das Aggregat ein im Anodenpfad angeordne tes Rezirkulationsgebläse bzw. eine im Anodenpfad angeordnete Rezirkulations- pumpe sein. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Wasserschmierung und/oder Was serkühlung können hier die gleichen Vorteile erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens ei ne wassergeschmierte und/oder wassergekühlte Gaslager über eine Wasserlei tung mit einem Wassertank verbunden oder verbindbar. Über die Wasserleitung und den Wassertank ist die erforderliche Wasserversorgung sichergestellt. Im Wassertank kann Wasser vorgehalten werden, so dass stets eine ausreichende Menge an Wasser zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist bzw. sind in der Was serleitung ein Ventil und/oder eine Pumpe und/oder eine Pumpe-Düse-Einheit angeordnet. Auf diese Weise kann eine bestimmte Menge Wasser dem Wasser tank entnommen und dem Gaslager gezielt zugeführt werden. Das Ventil und/oder die Pumpe-Düse-Einheit erlaubt bzw. erlauben zudem ein exaktes Do sieren der Wassermenge. Beispielsweise kann mit Hilfe eines Steuergeräts das Ventil oder die Pumpe-Düse-Einheit gezielt angesteuert werden, so dass eine bestimmte Menge des dem Wassertank entnommenen Wassers in das Gaslager eindosiert wird.

Bei dem Wassertank kann es sich insbesondere um einen bereits vorhandenen Wassertank eines separaten Wasserversorgungs- oder Wassertanksystems handeln, das ursprünglich einer anderen Anwendung, beispielsweise der Küh lung des Brennstoffzellensystems, dient. Das im Wassertank vorgehaltene und/oder gesammelte Wasser kann somit einer weiteren Nutzung zugeführt wer den. Zugleich kann ein Wassertank eingespart werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass dem Wassertank eine Einrichtung zur Wasserabscheidung und/oder Kondensation vorgeschaltet ist. In diesem Fall kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallendes Prozess wasser abgeschieden und dem Wassertank zugeführt werden. Bei Bedarf kann das im Wassertank gesammelte Wasser entnommen und zur Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung des mindestens einen Gaslagers genutzt werden. Ein separates Wasserversorgungs- oder Wassertanksystem ist in diesem Fall nicht erforderlich. Das Brennstoffzellensystem weist stattdessen einen eigenen Was sertank und eine dem Wassertank vorgeschaltete Einrichtung zur Wasserab- scheidung und/oder Kondensation auf. Es können auch beide Möglichkeiten der Wasserversorgung bzw. -gewinnung kombiniert werden, so dass sichergestellt ist, dass stets eine ausreichende Menge an Wasser verfügbar ist.

Vorteilhafterweise ist der Wassertank in wärmeübertragender Weise an ein Kühl system, insbesondere an einen Kühlkreis, angeschlossen. Dem mindestens ei nen Gaslager kann somit während der Wasserschmierung und/oder Wasserküh lung gekühltes Wasser zugeführt werden, wodurch eine Steigerung des Kühlef fekts erreicht wird.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine wassergeschmierte und/oder wassergekühlte Gaslager an einen Drainage- Kanal und/oder an eine Luftzufuhr angeschlossen ist. Über den Anschluss an den Drainage- Kanal kann das Wasser abgeführt und aus dem Gaslager entfernt werden. Dadurch ist si chergestellt, dass bei Frostgefahr kein Wasser mehr im Gaslager vorhanden ist, das gefrieren könnte. Das Wasser kann über den Drainage- Kanal schwerkraftge trieben, das heißt passiv, abgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Gaslager an eine Luftzufuhr angeschlossen sein. In diesem Fall kann im Gasla ger vorhandenes Wasser durch Luftzufuhr aktiv oder passiv ausgeblasen wer den. Das Wasser kann auf diese Weise noch schneller entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kathodenpfads eines ersten erfin dungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kathodenpfads eines zweiten er findungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kathodenpfads eines dritten erfin dungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Anodenpfads eines vierten erfin dungsgemäßen Brennstoffzellensystems und

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch ein Wassertanksystem für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Über den in der Fig. 1 schematisch dargestellten Kathodenpfad 2 eines erfin dungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 wird einer Kathode 18 Luft zugeführt. Die Luft gelangt aus einer Umgebung 20 zunächst in einen Luftfilter 21, so dass die Luft von schädlichen chemischen Verbindungen/Substanzen und Partikeln befreit wird. Die gefilterte Luft wird anschließend mit Hilfe eines Aggregats 4 bzw. eines Luftverdichtungssystems 11 verdichtet, das vorliegend ein elektrisch ange triebener Kompressor mit Turbine ist. Das Luftverdichtungssystem 11 umfasst eine Welle 5, die über zwei Radiallager 6 und ein Axiallager 7 drehbar gelagert ist. Die Radiallager 6, als auch das Axiallager 7 sind jeweils als Gaslager 6, 7 ausgeführt. Der Antrieb der Welle 5 erfolgt über einen Elektromotor 15.

Die mit Hilfe des Luftverdichtungssystems 11 komprimierte Luft wird vorliegend befeuchtet und gekühlt bevor sie die Kathode 18 erreicht. Im Kathodenpfad 2 sind hierzu stromabwärts des Luftverdichtungssystems 11 eine Einrichtung 22 zur Wassereinspritzung und eine Kühleinrichtung 23 angeordnet. Abluftseitig wird die Luft zunächst einer Einrichtung 14 zur Wasserabscheidung und/oder Kon densation zugeführt und anschließend über die Turbine des Luftverdichtungssys tems 11 wieder an die Umgebung 20 abgegeben. Das in der Einrichtung 14 ab geschiedene bzw. kondensierte Wasser wird einem Wassertank 13 zugeführt und dort gesammelt. Über den Wassertank 13 wird die Einrichtung 22 zur Was sereinspritzung mit Wasser versorgt. Überschüssige Luft kann über ein Bypass ventil 24, das die Zuluftseite mit der Abluftseite des Kathodenpfads 2 verbindet, der Turbine des Luftverdichtungssystems 11 zugeführt und damit an die Umge bung 20 abgegeben werden. Der Wassertank 13 ist darüber hinaus über eine Wasserleitung 12 mit den Gas lagern 6, 7 verbunden bzw. verbindbar. Denn in der Wasserleitung 12 sind eine Pumpe 10 und ein Ventil 9 angeordnet, so dass die Verbindung mit dem Wasser tank 13 nur bei geöffnetem Ventil 9 besteht. In Abhängigkeit von der Schaltstel lung des Ventils 9 kann demnach den Gaslagern 6, 7 Wasser aus dem Wasser tank 13 zugeführt werden, so dass die Gaslager 6, 7 zumindest temporär mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt werden können. Um den Kühleffekt zu ver stärken, ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 der Wassertank 13 über ei nen Wärmetauscher 17 in wärmeübertragender Weise mit einem Kühlsystem 16 verbunden, das vorrangig der Kühlung des Brennstoffzellensystems 1 dient.

Die Betriebsstrategie der Gaslager 6, 7 mit Wasser kann vorsehen, dass die Gaslager 6, 7 nur im Start- Stopp- Betrieb mit Wasser versorgt werden, um den Lagerverschleiß beim Anlaufen unterhalb der Leerlaufdrehzahl und beim Auslau fen unterhalb der Leerlaufdrehzahl signifikant zu reduzieren. Übersteigt die Dreh zahl eine vorgegebene Schwelle bzw. wird die Abhebedrehzahl oder Leerlauf drehzahl erreicht, kann die Wasserversorgung der Gaslager 6, 7 beendet wer den. Anschließend können die Gaslager 6, 7 passiv durch Kühl- oder Spülluft oder aktiv durch gesteuerte Luftzufuhr wieder zu einem reinen Gaslager 6, 7 mit minimaler Reibung umgewandelt und so betrieben werden.

Die Versorgung der Gaslager 6, 7 mit Wasser kann auch von verschiedenen Be triebsfällen abhängig gemacht werden. Beispielsweise kann Wasser zur Schmie rung und/oder Kühlung zudosiert werden, wenn eine Schlechtwegstrecke befah ren wird. Die Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung kann ferner von dem Alter bzw. der Alterung der Gaslager 6, 7 und/oder von den Fahrzyklen/dem Fahrprofil eines Fahrzeugs abhängig gemacht werden, das mit Hilfe des darge stellten Brennstoffzellensystems 1 angetrieben wird.

Ein weiterer Kathodenpfad 2 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tems 1 ist in der Fig. 2 dargestellt. Zur Luftverdichtung ist ein erstes Aggregat 4.1 vorgesehen, das als zweiflutiger Verdichter ausgeführt ist und eine Welle 5 um fasst, die mit Hilfe eines Elektromotors 15 angetrieben wird. Die Welle 5 ist über zwei Radiallager 6 und ein Axiallager 7, die jeweils als Gaslager 6, 7 ausgeführt sind, drehbar gelagert. Dem ersten Aggregat 4.1 ist ein zweites Aggregat 4.2 nachgeschaltet, das eine weitere Verdichterstufe ausbildet und vorliegend als turbinengetriebener Verdichter ausgeführt ist. Auch das zweite Aggregat 4.2 weist eine Welle 5 auf, die über zwei Radiallager 6 und ein Axiallager 7 drehbar gelagert ist. Sämtliche Lager sind jeweils als Gaslager 6, 7 ausgeführt. Zur Um gehung der zweiten Verdichterstufe ist sowohl auf der Zuluftseite als auch auf der Abluftseite jeweils ein Bypassventil 25 vorgesehen.

Die zur Minderung des Verschleißes vorgesehene Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung der Gaslager 6, 7 wird bei der Ausführungsform der Fig. 2 auf zwei Wellen 5 angewendet. Sämtliche Gaslager 6, 7 sind daher über Wasserlei tungen 12 und hierin angeordnete Ventile 9 mit einem Wassertank 13 verbunden, in dem Wasser gesammelt wird, das mit Hilfe einer abluftseitig angeordneten Einrichtung 14 zur Wasserabscheidung und/oder Kondensation aus feuchter Luft gewonnen wird. Zur Entnahme von Wasser aus dem Wassertank 13 ist ferner ei ne Pumpe 10 vorgesehen.

Eine Abwandlung des Systems der Fig. 2 ist in der Fig. 3 dargestellt. Hier wird das zur Schmierung und/oder Kühlung der Gaslager 6, 7 vorgesehene Wasser über die Wasserleitungen 12 im Kreis geführt. Das heißt, dass das zur Schmie rung und/oder Kühlung vorgesehene Wasser dem Wassertank 13 entnommen, nacheinander den einzelnen Gaslagern 6, 7 und anschließend wieder dem Was sertank 13 zugeführt wird. Vorliegend ist lediglich eine Pumpe 10 vorgesehen, mit deren Hilfe das Wasser aus dem Wassertank 13 entnommen und schließlich dem Wassertank 13 wieder zugeführt wird. Alternativ oder ergänzend zur Pum pe 10 kann auch mindestens ein Ventil 9 oder mindestens eine Pumpe-Düse- Einheit vorgesehen werden, um das Wasser gezielt in die Gaslager 6, 7 einzudo sieren. Ferner kann die Führung der Wasserleitungen 12 und/oder die Anzahl der Ventile 9 derart variiert werden, dass die beiden Wellen 5 unabhängig voneinan der mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt werden können.

Die Systemtopologie der Fig. 3 kann insbesondere bei größerem Kühlbedarf der Gaslager 6, 7 eingesetzt werden, oder dann, wenn die Gaslager 6, 7 dauerhaft als Gleitlager eingesetzt werden sollen.

In der Fig. 4 ist ein Anodenpfad 3 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tems 1 dargestellt. Anders als im Kathodenpfad 2 sollte hier das zur Schmierung und/oder Kühlung von Gaslagern 6, 7 eingesetztes Wasser nicht mit Luft ausge blasen, sondern passiv abgeführt oder aktiv rückgesaugt werden.

Der in der Fig. 4 dargestellte Anodenpfad 3 dient der Versorgung einer Anode 19 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 mit Wasserstoff (h ). Im Anodenpfad 3 ist ein Aggregat 4 mit einer Welle 5 aufgenommen, die über zwei Radiallager 6 und ein Axiallager 7 drehbar gelagert ist und mit Hilfe eines Elekt romotors 15 angetrieben wird. Bei dem Aggregat 4 handelt es sich vorliegend um eine Pumpe, die der Rezirkulation von Wasserstoff im Anodenpfad 3 dient. Sämt liche Lager sind als Gaslager 6, 7 ausgeführt, die temporär, periodisch oder dau erhaft mit Wasser geschmiert und/oder gekühlt werden können. Das Wasser wird hierzu einem Wassertank 13 entnommen, dem eine Einrichtung 14 zur Wasser- abscheidung und/oder Kondensation vorgeschaltet ist, die wiederum im Katho denpfad 2 angeordnet ist. Mit Hilfe der Einrichtung 14 kann der Kathode 18 zuge führte Luft, die zuvor befeuchtet worden ist, Wasser entzogen werden. Das dabei anfallende Wasser kann im Wassertank 13 gesammelt und bei Bedarf über eine Wasserleitung 12 den Gaslagern 6, 7 zugeführt werden. In der Wasserleitung 12 sind eine Pumpe 10 und ein Ventil 9 angeordnet, mittels welcher das Wasser dem Wassertank 13 entnommen und den Gasventilen 6, 7 zugeführt werden kann.

Der Fig. 5 ist beispielhaft ein Wasserversorgungs- und/oder Wassertanksystem 8 eines mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeugs zu entnehmen. Das Wasserver sorgungs- und/oder Wassertanksystem 8 kann durch Anbindung an das Brenn stoffzellensystem 1 einer weiteren Nutzung zugeführt werden, nämlich der Was serversorgung von Gaslagern 6, 7, um diese mit Wasser zu schmieren und/oder zu kühlen. Das Brennstoffzellensystem 1 kann somit zu einem erfindungsgemä ßen System ertüchtigt werden.

Das in der Fig. 5 dargestellte Wasserversorgungs- und/oder Wassertanksys tem 8 weist einen Wassertank 13 auf, dem eine Einrichtung 14 zur Wasserab- scheidung und/oder Kondensation vorgeschaltet ist. Die Einrichtung 14 kann bei spielsweise auf der Abluftseite eines Kathodenpfads 2 angeordnet sein, so dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 der Einrichtung 14 feuchte Luft zuge führt wird. Diese wird dann im Wassertank 13 gesammelt und bei Bedarf mit Hilfe einer Pumpe 10 entnommen. Die Pumpe 10 ist vorliegend in einem Bodenbe- reich des Wassertanks 13 angeordnet. Über eine Wasserleitung 12 kann das dem Wassertank 13 entnommene Wasser dann den Gaslagern 6, 7 zugeführt werden. Hierbei kann es sich um die Gaslager 6, 7 einer elektromotorisch ange triebenen Welle 5 oder einer nicht elektromotorisch angetriebenen Welle 5 han- dein. Die Wasserschmierung und/oder Wasserkühlung der Gaslager 6, 7 erweist sich in beiden Fällen als vorteilhaft.