DE102021201911A1

DE102021201911A1 - Method for operating a fuel cell system, fuel cell system

Info

Publication number: DE102021201911A1
Application number: DE102021201911.0A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dem anodenseitig ein gasförmiger Brennstoff und kathodenseitig Luft als Sauerstofflieferant zugeführt werden, wobei die Luft zuvor mit Hilfe eines in einen Kathodenzuluftpfad (3) integrierten Luftverdichters (4) verdichtet wird. Erfindungsgemäß wird, insbesondere bei einem Gefrier- oder Kaltstart des Systems, mit Hilfe des Luftverdichters (4) und/oder mit Hilfe eines sekundären Luftsystems (5) erwärmte Luft über einen Luftpfad (6) mindestens einer anodenseitig angeordneten eingehausten Komponente (7, 8, 9, 10) zugeführt und zum Beheizen und/oder Belüften der Komponente (7, 8, 9, 10) genutzt.
Die Erfindung betrifft ferner ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Brennstoffzellensystem (1).

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2) to which a gaseous fuel is supplied on the anode side and air as an oxygen supplier is supplied on the cathode side, the air being supplied beforehand with the aid of an air compressor (4) integrated in a cathode supply air path (3). is compressed. According to the invention, in particular when the system starts to freeze or cold, with the aid of the air compressor (4) and/or with the aid of a secondary air system (5), heated air is conveyed via an air path (6) to at least one housed component (7, 8, 9, 10) and used to heat and/or ventilate the component (7, 8, 9, 10).
The invention also relates to a fuel cell system (1) suitable for carrying out the method according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for operating a fuel cell system having the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a fuel cell system suitable for carrying out the method according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

In einem Brennstoffzellensystem wird Sauerstoff benötigt, der in den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels des Systems zusammen mit einem Brennstoff, in der Regel 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 dem Brennstoffzellenstapel mittels eines Luftförder- bzw. Luftverdichtungssystems zugeführt wird. Denn der Prozess erfordert einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau. Der ferner benötigte Brennstoff wir in einem geeigneten Tank, insbesondere einem Hochdrucktank, vorgehalten. Zur Einsparung von Brennstoff wird aus den Brennstoffzellen austretender abgereicherter Brennstoff über einen Anodenkreis rezirkuliert.In a fuel cell system, oxygen is required, which reacts in the fuel cells of a fuel cell stack of the system together with a fuel, usually hydrogen, to form water or water vapor. In this way, electrical power is supplied by electrochemical conversion, which can be used as drive energy, for example to drive a vehicle. Ambient air, which is supplied to the fuel cell stack by means of an air conveying or air compression system, generally serves as the oxygen source. Because the process requires a certain air mass flow and a certain pressure level. The fuel that is also required is kept in a suitable tank, in particular a high-pressure tank. To save fuel, depleted fuel exiting the fuel cells is recirculated via an anode circuit.

Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems muss der Anodenkreis regelmäßig gespült und entwässert werden. Denn im Wege der Diffusion gelangt Stickstoff von der Luft- bzw. Kathodenseite auf die Brennstoff- bzw. Anodenseite. Zudem reichert sich der rezirkulierte Brennstoff mit Wasser an, das auf der Kathodenseite anfällt und im Wege der Diffusion ebenfalls auf die Anodenseite gelangen kann. Zum Spülen und Entwässern sind im Anodenkreis Ventile aufgenommen. Das sogenannte Purgeventil wird zum Spülen geöffnet. Über das sogenannte Drainventil kann der Anodenkreis entwässert werden. Da beim Spülen immer auch Brennstoff mit entweicht, wird die Spülmenge in der Regel zum Verdünnen in einen Kathodenabluftpfad des Systems eingeleitet. Die Funktionen des Purge- und Drainventils können auch in einer Komponente zusammengefasst sein.When a fuel cell system is in operation, the anode circuit must be flushed and drained regularly. This is because nitrogen gets from the air or cathode side to the fuel or anode side by way of diffusion. In addition, the recirculated fuel is enriched with water, which accumulates on the cathode side and can also reach the anode side by way of diffusion. Valves are included in the anode circuit for flushing and draining. The so-called purge valve is opened for flushing. The anode circuit can be drained via the so-called drain valve. Since fuel always escapes with the flushing, the flushing quantity is usually introduced into a cathode exhaust air path of the system for dilution. The functions of the purge and drain valve can also be combined in one component.

Im Purge- und/oder Drainventil vorhandenes Wasser kann im Abstellfall bei tiefen Außentemperaturen gefrieren, so dass die Funktion der Ventile nicht mehr gewährleistet ist. Diese ist jedoch in der Regel für den Gefrier- oder Kaltstart des Brennstoffzellensystems zwingend erforderlich. Mindestens eine weitere vereisungsgefährdete Komponente, die bei einem Gefrier- oder Kaltstart Probleme bereiten könnte, stellt eine im Anodenkreis angeordnete Fördereinrichtung, beispielsweise in Form einer Strahlpumpe und/oder eines Rezirkulationsgebläses, dar. Zur Optimierung der Gefrier- oder Kaltstartfähigkeit schlägt daher der Stand der Technik eine im Anodenkreis angeordnete Heizeinrichtung vor. Diese erfordert jedoch zusätzliche Komponenten, Leitungen und Anschlüsse, so dass die Komplexität des Systems sowie die Kosten steigen.Water present in the purge and/or drain valve can freeze in the event of a shutdown at low outside temperatures, so that the function of the valves can no longer be guaranteed. However, this is usually absolutely necessary for the freezing or cold start of the fuel cell system. At least one other component at risk of icing, which could cause problems during a freeze or cold start, is a conveying device arranged in the anode circuit, for example in the form of a jet pump and/or a recirculation fan. The prior art therefore suggests optimization of the freeze or cold start capability a heating device arranged in the anode circuit. However, this requires additional components, lines and connections, so that the complexity of the system and the costs increase.

Die vorliegende Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, die Gefrier- oder Kaltstartfähigkeit eines Brennstoffzellensystems möglichst mit Hilfe bereits vorhandener Komponenten und/oder Subsystemen zu verbessern.The present invention has therefore set itself the task of improving the ability of a fuel cell system to freeze or cold start, if possible with the aid of components and/or subsystems that are already present.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. Furthermore, a fuel cell system is specified which is suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated according to the method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, werden einem Brennstoffzellenstapel anodenseitig ein gasförmiger Brennstoff und kathodenseitig Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Luft wird dabei zuvor mit Hilfe eines in einen Kathodenzuluftpfad integrierten Luftverdichters verdichtet. Erfindungsgemäß wird, insbesondere bei einem Gefrier- oder Kaltstart des Systems, mit Hilfe des Luftverdichters und/oder mit Hilfe eines sekundären Luftsystems erwärmte Luft über einen Luftpfad mindestens einer anodenseitig angeordneten eingehausten Komponente zugeführt und zum Beheizen und/oder Belüften der Komponente genutzt.In the proposed method for operating a fuel cell system, a fuel cell stack is supplied with a gaseous fuel on the anode side and air as an oxygen supplier on the cathode side. The air is compressed beforehand with the aid of an air compressor integrated into a cathode supply air path. According to the invention, in particular when the system starts to freeze or cold, air heated with the aid of the air compressor and/or with the aid of a secondary air system is supplied via an air path to at least one housed component arranged on the anode side and used to heat and/or ventilate the component.

Beim Verdichten der Luft mit Hilfe des Luftverdichters erwärmt sich diese. Stromabwärts des Luftverdichters kann demnach erwärmte bzw. heiße Luft aus dem Kathodenzuluftpfad abgezweigt und zum Beheizen einer anodenseitig angeordneten Komponente genutzt werden. Das Beheizen wirkt einer Vereisung der Komponente entgegen und/oder bewirkt, dass eine bereits vorhandene Vereisung schneller abtaut. Das vorgeschlagene Verfahren kann demnach insbesondere bei einem Gefrier- oder Kaltstart des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Der Luftverdichter kann hierzu zu Beginn des Gefrier- oder Kaltstarts bzw. kurz vorher („Predrive-Verfahren“) in Betrieb genommen werden. Bevorzugt wird der Betrieb des Luftverdichters zum Erwärmen der Luft solange aufrechterhalten, bis keine Vereisungsgefahr mehr besteht.When compressing the air with the help of the air compressor, it heats up. Accordingly, heated or hot air can be branched off from the cathode supply air path downstream of the air compressor and used to heat a component arranged on the anode side. The heating counteracts icing of the component and/or causes existing icing to defrost faster. The proposed method can therefore be carried out in particular when the fuel cell system is started from a freeze or from a cold state. For this purpose, the air compressor can be put into operation at the beginning of the freezing or cold start or shortly before ("predrive procedure"). The operation of the air compressor for heating the air is preferably maintained until there is no longer any risk of icing.

Alternativ oder ergänzend kann die mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft zum Belüften mindestens einer anodenseitig angeordneten Komponente genutzt werden. Da anodenseitig im Wege der Leckage Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, austreten und sich in der Einhausung einer Komponente sammeln kann, besteht Explosionsgefahr. Durch Belüften kann dieser Gefahr entgegengewirkt werden.Alternatively or additionally, the air heated with the aid of the air compressor can be used to ventilate at least one component arranged on the anode side. In the way on the anode side the leakage of fuel, usually hydrogen, can escape and collect in the housing of a component, there is a risk of explosion. This danger can be counteracted by ventilation.

Da zum Belüften auch ein an das Brennstoffzellensystem angeschlossenes sekundäres Luftsystem genutzt werden kann, kann auch dieses - alternativ oder ergänzend - zur Bereitstellung erwärmter Luft genutzt werden. Mit Hilfe des sekundären Luftsystems kann somit ebenfalls ein Beheizen und/oder Belüften der mindestens einen anodenseitig angeordneten Komponente bewirkt werden. Dies setzt voraus, dass ein sekundäres Luftsystem oder zumindest ein Anschluss für ein solches vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, wird die erwärmte Luft zum Beheizen und/oder Belüften der mindestens einen anodenseitig angeordneten Komponente mit Hilfe des im Kathodenzuluftpfad angeordneten Luftverdichters bereitgestellt. Das Beheizen erfordert in diesem Fall keine zusätzlichen Komponenten, insbesondere keine zusätzliche Heizeinrichtung, sondern lediglich einen zusätzlichen Luftpfad. Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich somit vergleichsweise einfach und kostengünstig umsetzen. Sofern eine Belüftung der mindestens einen anodenseitig vorgesehenen Komponente vorgesehen ist, kann auch ein bereits vorhandener Belüftungspfad als Luftpfad genutzt werden. In diesem Fall ist lediglich eine Anbindung an den bereits vorhandenen Luftpfad erforderlich.Since a secondary air system connected to the fuel cell system can also be used for ventilation, this can also—alternatively or additionally—be used to provide heated air. The secondary air system can thus likewise be used to heat and/or ventilate the at least one component arranged on the anode side. This assumes that a secondary air system or at least a connection for such is available. If this is not the case, the heated air for heating and/or ventilating the at least one component arranged on the anode side is made available with the aid of the air compressor arranged in the cathode supply air path. In this case, the heating does not require any additional components, in particular no additional heating device, but only an additional air path. The proposed method can thus be implemented in a comparatively simple and cost-effective manner. If ventilation of the at least one component provided on the anode side is provided, an existing ventilation path can also be used as an air path. In this case, only a connection to the existing air path is required.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zum Beheizen und/oder Belüften genutzte Luft anschließend an den Brennstoffzellenstapel weitergeleitet und zum Belüften einer den Brennstoffzellenstapel aufnehmenden Einhausung genutzt wird. Hier ist die Gefahr von Leckagen besonders groß, so dass ein Belüften der den Brennstoffzellenstapel aufnehmenden Einhausung einem Sicherheitsaspekt dient. Unerheblich ist, dass sich die erwärmte Luft auf dem Weg bis zum Brennstoffzellenstapel bereits abgekühlt hat, da hier die Luft vorrangig zum Belüften und nicht mehr zum Beheizen benötigt wird.In a development of the invention, it is proposed that the air used for heating and/or ventilation is then forwarded to the fuel cell stack and used to ventilate a housing accommodating the fuel cell stack. The risk of leaks is particularly great here, so that ventilation of the housing accommodating the fuel cell stack serves a safety aspect. It is irrelevant that the heated air has already cooled down on the way to the fuel cell stack, since the air here is primarily required for ventilation and no longer for heating.

Um die zum Beheizen und/oder Belüften genutzte Luft an den Brennstoffzellenstapel weiterzuleiten, wird vorzugsweise der Luftpfad von der Einhausung der mindestens einen anodenseitig angeordneten Komponente bis zur Einhausung des Brennstoffzellenstapels fortgeführt. Sofern mehr als nur eine Komponente beheizt werden soll und diese nicht in einer gemeinsamen Einhausung untergebracht sind, kann der Luftpfad auch über eine Reihe von Einhausungen bis zur Einhausung des Brennstoffzellenstapels geführt werden.In order to forward the air used for heating and/or ventilation to the fuel cell stack, the air path is preferably continued from the housing of the at least one component arranged on the anode side to the housing of the fuel cell stack. If more than one component is to be heated and these are not housed in a common housing, the air path can also be routed via a series of housings to the housing of the fuel cell stack.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teilstrom der erwärmten Luft über einen vom Luftpfad abzweigenden Sekundär-Luftpfad mindestens einer eingehausten Komponente eines Kühlkreises des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Dem Kühlkreis kann somit ebenfalls erwärmte Luft zum Beheizen der mindestens einen Komponente zugeführt werden. Bei der zu beheizenden Komponente kann es sich insbesondere um eine in den Kühlkreis integrierte Kühlmittelpumpe und/oder ein Wegeventil handeln. Wird eine gefrierfähige Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet, besteht auch hier bei tiefen Außentemperaturen eine Vereisungsgefahr, so dass die Funktion des Kühlkreises nicht mehr gewährleistet ist. Mit Hilfe der über den Sekundär-Luftpfad zugeführten erwärmten Luft kann die Funktion des Kühlkreises sichergestellt werden.Furthermore, it is proposed that at least a partial flow of the heated air is supplied to at least one enclosed component of a cooling circuit of the fuel cell system via a secondary air path branching off from the air path. Heated air can thus also be supplied to the cooling circuit for heating the at least one component. The component to be heated can in particular be a coolant pump integrated into the cooling circuit and/or a directional control valve. If a freezable liquid is used as a coolant, there is also a risk of icing at low outside temperatures, so that the function of the cooling circuit can no longer be guaranteed. The functioning of the cooling circuit can be ensured with the aid of the heated air supplied via the secondary air path.

Um das Beheizen einer vereisungsgefährdeten Komponente nach dem vorgeschlagenen Verfahren so effizient wie möglich zu gestalten, kann die Einhausung der Komponente gedämmt werden. Ferner können mehrere Komponenten in einer gemeinsamen Einhausung untergebracht werden. Beispielsweise können anodenseitig bzw. in einem Anodenkreis angeordnete Komponenten in einer gemeinsame Einhausung zu einem Anodensubsystem zusammengefasst werden.In order to make the heating of a component at risk of icing as efficient as possible using the proposed method, the housing of the component can be insulated. Furthermore, several components can be accommodated in a common housing. For example, components arranged on the anode side or in an anode circuit can be combined in a common housing to form an anode subsystem.

Die mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft kann an unterschiedlichen Stellen dem System entnommen werden. Beispielsweise kann die mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft an einer bestimmten Stelle des Kathodenzuluftpfads entnommen werden. An dieser Stelle ist dann der Luftpfad an den Kathodenzuluftpfad angeschlossen, so dass die erwärmte Luft unmittelbar vom Kathodenzuluftpfad in den Luftpfad abgezweigt wird. Die Stelle liegt stromabwärts des Luftverdichters und vorzugsweise stromaufwärts mindestens eines in den Kathodenzuluftpfad integrierten Wärmeübertragers, mit dessen Hilfe im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystem die verdichtete heiße Luft abgekühlt werden soll. Dadurch ist sichergestellt, dass die Luft weiterhin heiß bleibt. Ferner kann ein im Kathodenzuluftpfad üblicherweise angeordnetes Absperrventil geschlossen werden, so dass die erwärmte Luft in den Luftpfad umgeleitet wird.The air that is heated with the help of the air compressor can be taken from the system at different points. For example, the air that has been heated with the aid of the air compressor can be taken off at a specific point in the cathode supply air path. The air path is then connected to the cathode air supply path at this point, so that the heated air is branched off directly from the cathode air supply path into the air path. The point is downstream of the air compressor and preferably upstream of at least one heat exchanger integrated into the cathode supply air path, with the aid of which the compressed hot air is intended to be cooled during normal operation of the fuel cell system. This ensures that the air continues to stay hot. Furthermore, a shut-off valve usually arranged in the cathode supply air path can be closed, so that the heated air is diverted into the air path.

Des Weiteren kann die mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft an einer bestimmten Stelle eines vom Kathodenzuluftpfad abzweigenden Bypasspfads zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels entnommen und in den Luftpfad eingeleitet werden. In diesem Fall muss lediglich ein im Bypasspfad angeordnetes Bypassventil geöffnet werden, um einen Teilmassenstrom vom Luftmassenstrom im Kathodenzuluftpfad abzuzweigen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn ein Luftverdichter mit begrenztem Betriebsbereich zum Einsatz gelangt, so dass die geförderte Menge die tatsächlich benötigte Menge übersteigt. Das Delta, das mehr gefördert wird und üblicherweise über den Bypasspfad abgeführt bzw. „entsorgt“ wird, kann dann zum Beheizen und/oder Belüften genutzt werden. Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem besonders energieeffiizient betrieben werden.Furthermore, the air heated with the help of the air compressor can be removed at a specific point of a bypass path branching off from the cathode supply air path to bypass the fuel cell stack and introduced into the air path. In this case, only a bypass valve arranged in the bypass path has to be opened in order to branch off a partial mass flow from the air mass flow in the cathode supply air path. This is particularly advantageous when an air compressor with a limited operating range is used, so that the volume delivered exceeds the volume actually required. The Delta that froze more Waste and is usually discharged or "disposed of" via the bypass path can then be used for heating and/or ventilation. In this way, the fuel cell system can be operated in a particularly energy-efficient manner.

Darüber hinaus kann mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft an einer bestimmten Stelle eines Kathodenabluftpfads entnommen und in den Luftpfad eingeleitet werden. Die Entnahme aus dem Kathodenabluftpfad ermöglicht die Nutzung der Kathodenabluft zum Beheizen und/oder Belüften der mindestens einen anodenseitig angeordneten Komponente. Denn die Kathodenabluft ist ebenfalls warm, allerdings nicht trocken, sondern feucht. Der warm-feuchten Kathodenabluft kann über einen Bypasspfad, der den Kathodenabluftpfad zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels mit dem Kathodenzuluftpfad verbindet, mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft beigemischt werden. Der Kathodenabluftpfad kann aber auch mit Hilfe eines Absperrventils, das vorzugsweise stromaufwärts des abzweigenden Luftpfads und stromaufwärts des einmündenden Bypasspfads angeordnet ist, abgesperrt werden, so dass bei geöffnetem Bypasspfad lediglich mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft in den Luftpfad eingeleitet wird. Die Stelle, an der die Luft bzw. Abluft aus dem Kathodenabluftpfad entnommen wird, ist daher bevorzugt stromabwärts eines den Kathodenabluftpfad mit dem Kathodenzuluftpfad verbindenden Bypasspfads und/oder stromaufwärts einer in den Kathodenabluftpfad integrierten Turbine angeordnet. Letzteres setzt voraus, dass eine Turbine in den Kathodenabluftpfad integriert ist. Dies ist nicht zwingend der Fall.In addition, with the help of the air compressor, heated air and/or exhaust air emerging from the fuel cell stack can be removed at a specific point of a cathode exhaust air path and introduced into the air path. The extraction from the cathode exhaust path enables the cathode exhaust air to be used for heating and/or ventilating the at least one component arranged on the anode side. Because the cathode exhaust air is also warm, but not dry, but moist. The warm-moist cathode exhaust air can be mixed with the aid of the air compressor via a bypass path, which connects the cathode exhaust air path to the cathode intake air path in order to bypass the fuel cell stack. However, the cathode exhaust air path can also be shut off with the aid of a shut-off valve, which is preferably arranged upstream of the branching air path and upstream of the incoming bypass path, so that when the bypass path is open, air heated only with the aid of the air compressor is introduced into the air path. The point at which the air or exhaust air is taken from the cathode exhaust path is therefore preferably arranged downstream of a bypass path connecting the cathode exhaust path to the cathode intake air path and/or upstream of a turbine integrated in the cathode exhaust air path. The latter assumes that a turbine is integrated into the cathode exhaust path. This is not necessarily the case.

Sofern mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft aus den Kathodenzuluftpfad entnommen wird, wird - wie bereits erwähnt - die Entnahme bevorzugt mit Hilfe mindestens eines Ventils gesteuert. Hierbei kann es sich insbesondere um ein bereits vorhandenes Ventil handeln, so dass die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens keine zusätzlichen Komponenten erfordert. Das mindestens eine Ventil ist vorzugsweise im Kathodenzuluftpfad und/oder in einem mit dem Kathodenzuluftpfad verbundenen Bypasspfad angeordnet. Bei dem mindestens einen Ventil kann es sich insbesondere um ein Absperrventil und/oder ein Bypassventil handeln. Um aus dem Kathodenzuluftpfad einen Teilmassenstrom zum Beheizen und/oder Belüften abzweigen zu können, muss ggf. zusätzlich die Fördermenge des Luftverdichters erhöht werden. Auf diese Weise kann zugleich eine ausreichende Luftversorgung der Kathode sichergestellt werden.If air that has been heated is removed from the cathode supply air path with the aid of the air compressor, the removal is preferably controlled with the aid of at least one valve, as already mentioned. This can in particular be an existing valve, so that the implementation of the proposed method does not require any additional components. The at least one valve is preferably arranged in the cathode air supply path and/or in a bypass path connected to the cathode air supply path. The at least one valve can in particular be a shut-off valve and/or a bypass valve. In order to be able to branch off a partial mass flow for heating and/or ventilation from the cathode supply air path, the delivery rate of the air compressor may also have to be increased. In this way, an adequate supply of air to the cathode can be ensured at the same time.

Sofern die mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft über einen Bypasspfad erst in einen Kathodenabluftpfad geleitet wird, ist vorzugsweise mindestens ein weiteres Ventil, bevorzugt ein Absperrventil, im Kathodenabluftpfad und/oder im Luftpfad angeordnet.If the air heated with the help of the air compressor is first routed via a bypass path into a cathode exhaust air path, at least one further valve, preferably a shut-off valve, is preferably arranged in the cathode exhaust air path and/or in the air path.

Die zum Beheizen und/oder Belüften genutzte Luft kann über einen Abluftpfad ausgeleitet und an die Umgebung abgegeben werden. Hierin enthaltener Brennstoff bzw. Wasserstoff ist soweit verdünnt, dass er keine Gefahr mehr darstellt. The air used for heating and/or ventilation can be discharged via an exhaust air path and discharged to the environment. The fuel or hydrogen contained therein is diluted to such an extent that it no longer poses a hazard.

Die ursprünglich der Umgebung entnommene Luft wird somit der Umgebung wieder zugeführt.The air originally taken from the environment is thus returned to the environment.

Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, dem anodenseitig ein Brennstoff und kathodenseitig über einen Kathodenzuluftpfad Luft als Sauerstofflieferant zuführbar sind. In den Kathodenzuluftpfad ist dabei ein Luftverdichter zum Verdichten der Luft integriert. Erfindungsgemäß ist der Luftverdichter über

- den Kathodenzuluftpfad und/oder
- einen an den Kathodenzuluftpfad angeschlossenen Bypasspfad zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels und/oder
- einen Kathodenabluftpfad

an einen Luftpfad angeschlossen, in den mindestens eine anodenseitig angeordnete eingehauste Komponente integriert ist.The additionally proposed fuel cell system comprises a fuel cell stack to which fuel can be supplied on the anode side and air as an oxygen supplier can be supplied to the cathode side via a cathode supply air path. An air compressor for compressing the air is integrated into the cathode supply air path. According to the invention, the air compressor is over

- the cathode supply air path and/or
- a bypass path connected to the cathode supply air path for bypassing the fuel cell stack and/or
- a cathode exhaust path

connected to an air path in which at least one housed component arranged on the anode side is integrated.

Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist damit zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Insbesondere kann die mit Hilfe des Luftverdichters verdichtete und damit erwärmte Luft zum Beheizen und/oder Belüften der mindestens einen anodenseitig angeordneten Komponente genutzt werden. Dadurch ist die Funktion der mindestens einen Komponente bei tiefen Außentemperaturen sichergestellt oder - durch Abtauen - schnell wiederhergestellt. Auf diese Weise wird die Gefrier- oder Kaltstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert.The proposed fuel cell system is therefore suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to this method. In particular, the air compressed and thus heated with the aid of the air compressor can be used for heating and/or ventilating the at least one component arranged on the anode side. As a result, the function of at least one component is ensured at low outside temperatures or—by defrosting—quickly restored. In this way, the freezing or cold start capability of the fuel cell system is improved.

Bei der mindestens einen anodenseitig angeordneten Komponente kann es sich insbesondere um ein Purge-/Drainventil handeln. Das heißt, um mindestens ein Ventil oder eine Ventilkombination, mittels dessen bzw. mittels derer ein Anodenkreis des Brennstoffzellensystems gespült und/oder entwässert werden kann.The at least one component arranged on the anode side can in particular be a purge/drain valve. That means at least one valve or a valve combination, by means of which an anode circuit of the fuel cell system can be flushed and/or drained.

Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Komponente eine im Anodenkreis angeordnete Fördereinrichtung, beispielsweise eine Strahlpumpe und/oder ein Rezirkulationsgebläse sein. Der Strahlpumpe kann dabei ein Dosierventil vorgeschaltet sein, mittels dessen in einem Tank bevorrateter Brennstoff eindosierbar ist.Alternatively or additionally, the at least one component can be a delivery device arranged in the anode circuit, for example a jet pump and/or a recirculation fan. The jet pump can have a metering valve be connected upstream, by means of which fuel stored in a tank can be metered.

Die vorstehend genannten Komponenten haben gemein, dass sie vereisungsgefährdet sind. Mit Hilfe der erwärmten Luft können sie kurz vor und/oder während eines Gefrier- oder Kaltstarts beheizt werden, so dass eine sich bereits gebildete Vereisung schnell abgetaut und eine erneute Vereisung verhindert werden können. Die erwärmte Luft wird hierzu über den Luftpfad in eine Einhausung der mindestens einen Komponente eingebracht. Die Komponenten können jeweils eine eigene Einhausung besitzen. In diesem Fall können mehrere in Reihe angeordnete Einhausungen an den Luftpfad angeschlossen sein. Zudem können mehrere Komponenten in einer Einhausung aufgenommen sein. Der Luftpfad kann somit kürzer gehalten werden. Die mindestens eine Einhausung kann zudem gedämmt sein, um eine Wärmeübertragung nach außen zu erschweren.The components mentioned above have in common that they are at risk of icing. With the help of the heated air, they can be heated shortly before and/or during a freezing or cold start, so that icing that has already formed can be quickly thawed and new icing can be prevented. For this purpose, the heated air is introduced into a housing of the at least one component via the air path. The components can each have their own housing. In this case, several housings arranged in series can be connected to the air path. In addition, several components can be accommodated in one housing. The air path can thus be kept shorter. The at least one housing can also be insulated in order to make heat transfer to the outside more difficult.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass vom Luftpfad ein Sekundär-Luftpfad abzweigt, in den mindestens eine eingehauste Komponente eines Kühlkreises des Brennstoffzellensystems integriert ist. Die mit Hilfe des Luftverdichters erwärmte Luft kann somit zugleich zum Beheizen mindestens einer Komponente des Kühlkreises genutzt werden. Bei der Komponente kann es sich insbesondere um eine vereisungsgefährdete Kühlmittelpumpe und/oder ein der Kühlmittelpumpe vorgeschaltetes Wegeventil handeln, mittels dessen beispielsweise ein Wärmeübertrager in den Kühlkreis integrierbar ist.As a further development measure, it is proposed that a secondary air path, in which at least one housed component of a cooling circuit of the fuel cell system is integrated, branches off from the air path. The air heated with the help of the air compressor can thus be used at the same time to heat at least one component of the cooling circuit. The component can in particular be a coolant pump at risk of icing and/or a directional control valve connected upstream of the coolant pump, by means of which, for example, a heat exchanger can be integrated into the cooling circuit.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Luftpfad an eine Einhausung des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist. Mit Hilfe der - mittlerweile abgekühlten - Luft kann die den Brennstoffzellenstapel aufnehmende Einhausung belüftet werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass im Wege der Leckage austretender Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, sich in der Einhausung sammelt und somit zu einem Sicherheitsrisiko führt. Mit Hilfe der zugeführten Luft kann in der Einhausung vorhandener Brennstoff verdünnt und aus der Einhausung abgeleitet werden. Die Einhausung kann hierzu an eine Abluftleitung angeschlossen sein, über welche das Gasgemisch - da ausreichend verdünnt - an die Umgebung abgegeben werden kann.Furthermore, it is proposed that the air path is connected to a housing of the fuel cell stack. With the help of the - meanwhile cooled - air, the housing accommodating the fuel cell stack can be ventilated. In this way, it can be prevented that fuel escaping as a result of the leak, generally hydrogen, collects in the housing and thus leads to a safety risk. With the aid of the supplied air, fuel present in the housing can be diluted and discharged from the housing. For this purpose, the housing can be connected to an exhaust air line, via which the gas mixture—since it is sufficiently diluted—can be discharged to the environment.

Die mit Hilfe des Verdichters erwärmte Luft kann demnach nicht nur zum Beheizen einer vereisungsgefährdeten Komponente, sondern ferner zum Belüften einer Einhausung genutzt werden. Dies kann auch eine Einhausung sein, in der die mindestens eine vereisungsgefährdete Komponente aufgenommen ist. Im Ergebnis kann somit auf ein sekundäres Luftsystem zum Belüften verzichtet werden. Sofern aber ein sekundäres Luftsystem zum Belüften vorhanden ist, kann auch dieses an den Luftpfad angeschlossen sein, um erwärmte Luft einzuspeisen. Diese kann dann nicht nur zum Belüften, sondern ferner zum Beheizen eingesetzt werden.The air heated with the help of the compressor can therefore not only be used to heat a component that is at risk of icing, but also to ventilate an enclosure. This can also be an enclosure in which the at least one component at risk of icing is accommodated. As a result, a secondary air system for ventilation can be dispensed with. However, if there is a secondary air system for ventilation, this can also be connected to the air path in order to feed in heated air. This can then be used not only for ventilation, but also for heating.

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

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, wobei das dargestellte System nur das allgemeine Konzept wiedergibt,
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
3 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:

1 a schematic representation of a fuel cell system that is suitable for carrying out a method according to the invention, the system represented only reflecting the general concept,
2 a schematic representation of a fuel cell system according to a first preferred embodiment of the invention and
3 a schematic representation of a fuel cell system according to a further preferred embodiment of the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Anhand der 1 wird nachfolgend das der Erfindung zugrundeliegende allgemeine Konzept erläutert. Anhand der 2 und 3 werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.Based on 1 the general concept on which the invention is based is explained below. Based on 2 and 3 preferred embodiments of the invention are described in more detail.

Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, dem kathodenseitig über einen Kathodenzuluftpfad 3 verdichtete Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist. Im Kathodenzuluftpfad 3 ist hierzu ein Luftverdichter 4 angeordnet. Die dem Luftverdichter 4 zugeführte Luft wird der Umgebung 28 entnommen. Aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende abgereicherte Luft bzw. Abluft wird über einen Kathodenabluftpfad 17 abgeleitet und wieder an die Umgebung 28 abgegeben. In den Kathodenabluftpfad 17 kann eine Turbine 19 zur Energierückgewinnung angeordnet sein.That in the 1 The fuel cell system 1 according to the invention shown comprises a fuel cell stack 2 to which compressed air as an oxygen supplier can be supplied on the cathode side via a cathode supply air path 3 . For this purpose, an air compressor 4 is arranged in the cathode supply air path 3 . The air supplied to the air compressor 4 is taken from the environment 28 . Depleted air or exhaust air exiting the fuel cell stack 2 is discharged via a cathode exhaust air path 17 and released back into the environment 28 . A turbine 19 for energy recovery can be arranged in the cathode exhaust air path 17 .

Zur Versorgung mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, ist der Brennstoffzellenstapel 2 anodenseitig an einen Anodenkreis 24 angebunden, in den mindestens eine vereisungsgefährdete Komponente 7 (und/oder 8, 9, 10) integriert ist, die in einer Einhausung 25 aufgenommen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Purge-/Drainventil oder eine entsprechende Ventilkombination handeln. Um bei einem Gefrier- oder Kaltstart des Brennstoffzellensystems eine Vereisung schnell abzutauen und/oder eine (erneute) Vereisung zu verhindern, kann die mindestens eine in den Anodenkreis 24 integrierte Komponente 7, 8, 9, 10 beheizt werden. Zum Beheizen wird vorliegend mit Hilfe des Luftverdichters 4 verdichtete und damit erwärmte Luft verwendet, die über einen separaten Luftpfad 6 der mindestens einen anodenseitig angeordneten eingehausten Komponente 7, 8, 9 10 zugeführt wird. In den Luftpfad 6 kann zudem erwärmte Luft aus einem sekundären Luftsystem 5 eingespeist werden, das vorrangig der Belüftung eingehauster Komponenten 7, 8, 9, 10 und/oder der Belüftung einer Einhausung 11 des Brennstoffzellenstapels 2 dient. Es steht somit viel warme Luft zum Beheizen zur Verfügung. Da der Luftpfad 6 zudem bis zur Einhausung 11 des Brennstoffzellenstapels 2 geführt ist, kann die Luft zugleich zum Belüften der Einhausung 11 des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt werden. Gleiches gilt für die Einhausung 25, in der die mindestens eine vereisungsgefährdete Komponente 7, 8, 9, 10 aufgenommen ist. Die zum Beheizen und/oder Belüften genutzte Luft kann anschließend über einen Abluftpfad 23 abgeleitet, vorzugsweise zurück an die Umgebung abgegeben werden.To supply a fuel, for example hydrogen, the fuel cell stack 2 is connected on the anode side to an anode circuit 24, in which at least one component 7 (and/or 8, 9, 10) at risk of icing is integrated, which is accommodated in a housing 25. This can be, for example, a purge/drain valve or a corresponding valve combination. The at least one component 7, 8, 9, 10 integrated in the anode circuit 24 can be heated in order to quickly defrost and/or prevent (renewed) icing in the event of a freezing or cold start of the fuel cell system. In the present case, the air compressor 4 is used for heating and thus the air is compressed heated air is used, which is supplied via a separate air path 6 to the at least one encased component 7, 8, 9, 10 arranged on the anode side. In addition, heated air from a secondary air system 5 can be fed into the air path 6 , which primarily serves to ventilate housed components 7 , 8 , 9 , 10 and/or to ventilate a housing 11 of the fuel cell stack 2 . A lot of warm air is therefore available for heating. Since the air path 6 is also routed to the housing 11 of the fuel cell stack 2 , the air can be used to ventilate the housing 11 of the fuel cell stack 2 at the same time. The same applies to the housing 25 in which the at least one component 7, 8, 9, 10 at risk of icing is accommodated. The air used for heating and/or ventilation can then be discharged via an exhaust air path 23, preferably returned to the environment.

Sofern kein sekundäres Luftsystem 5 vorhanden ist, kann auch allein die mit Hilfe des Luftverdichters 4 erwärmte Luft sowohl zum Beheizen als auch zum Belüften genutzt werden.If there is no secondary air system 5, the air heated by the air compressor 4 alone can also be used both for heating and for ventilation.

Vom Luftpfad 6 zweigt in der 1 ein Sekundär-Luftpfad 12 ab, der zu einem Kühlkreis 15 führt, in den mindestens eine eingehauste und vereisungsgefährdete Komponente 13, 14 integriert ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Kühlmittelpumpe oder ein der Kühlmittelpumpe vorgeschaltetes Wegeventil handeln. Die erwärmte Luft wird über den Sekundär-Luftpfad 12 in eine die Komponente 13 (14) aufnehmende Einhausung 26 eingeleitet und die Komponente 13, (14) auf diese Weise beheizt.From the air path 6 branches into the 1 a secondary air path 12, which leads to a cooling circuit 15, in which at least one encased and icing-endangered component 13, 14 is integrated. This can be, for example, a coolant pump or a directional control valve connected upstream of the coolant pump. The heated air is introduced via the secondary air path 12 into a housing 26 accommodating the component 13 (14) and the component 13, (14) is heated in this way.

Die in der 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 umfasst ebenfalls einen Brennstoffzellenstapel 2, der kathodenseitig an einen Kathodenzuluftpfad 3 mit integriertem Luftverdichter 4 sowie an einen Kathodenabluftpfad 17 angeschlossen ist. Dem Luftverdichter 4 ist ein Luftfilter 29 vorgeschaltet, um schädliche Partikel und schädliche chemische Substanzen aus der der Umgebung 28 entnommenen Luft zu entfernen. Stromabwärts des Luftverdichters 4 ist ein Wärmeübertrager 27 im Kathodenzuluftpfad 3 angeordnet, um die verdichtete und erwärmte Luft vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 2 abzukühlen. Zwischen dem Luftverdichter 4 und dem Wärmeübertrager 27 zweigt ein Bypasspfad 16 vom Kathodenzuluftpfad 3 ab, in dem ein Ventil 21 angeordnet ist. Dieses verbindet den Bypasspfad 16 mit dem Luftpfad 6, so dass das Ventil 21 eine Stelle x2 definiert, an der bei Bedarf die mit Hilfe des Luftverdichters 4 verdichtete und erwärmte Luft in den Luftpfad 6 einleitbar ist. Hierzu muss lediglich das Ventil 21 geöffnet und ggf. die Fördermenge des Luftverdichters 4 angehoben werden, um weiterhin eine ausreichende Luftversorgung der Kathode sicherzustellen.The one in the 2 The illustrated preferred embodiment of a fuel cell system 1 according to the invention also includes a fuel cell stack 2 which is connected on the cathode side to a cathode air supply path 3 with an integrated air compressor 4 and to a cathode exhaust air path 17 . An air filter 29 is connected upstream of the air compressor 4 in order to remove harmful particles and harmful chemical substances from the air taken from the environment 28 . A heat exchanger 27 is arranged in the cathode supply air path 3 downstream of the air compressor 4 in order to cool the compressed and heated air before it enters the fuel cell stack 2 . Between the air compressor 4 and the heat exchanger 27, a bypass path 16 branches off from the cathode supply air path 3, in which a valve 21 is arranged. This connects the bypass path 16 to the air path 6 so that the valve 21 defines a point x2 at which the air compressed and heated with the aid of the air compressor 4 can be introduced into the air path 6 if required. To do this, only the valve 21 has to be opened and, if necessary, the delivery rate of the air compressor 4 has to be increased in order to continue to ensure an adequate air supply to the cathode.

Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 2 des Brennstoffzellensystems 1 der 2 an einen Anodenkreis angeschlossen, in den verschiedene vereisungsgefährdete Komponenten 7, 8, 9, 10 integriert sind. Hierbei handelt es sich um ein in einer ersten Einhausung 25 aufgenommenen Strahlpumpe 9 mit vorgeschaltetem Dosierventil 8 sowie ein in einer zweiten Einhausung 25 aufgenommenen Rezirkulationsgebläse 10. Mit Hilfe der Strahlpumpe 9 und dem Rezirkulationsgebläse 10 kann aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretender abgereicherter Brennstoff rezirkuliert werden. In einer weiteren Einhausung 25 ist eine weitere vereisungsgefährdete Komponente 7 aufgenommen, wobei es sich um ein Purge- und/oder Drainventil handelt. Das Purge-und/oder Drainventil ist einerseits an den Anodenkreis 24, andererseits an einen Purge- und/oder Drainpfad 30 angeschlossen. Alle Einhausungen 25 der Komponenten 7, 8, 9, 10 sind in Reihe in den Luftpfad 6 integriert, so dass sie mit erwärmter Luft beheizt und/oder belüftet werden können. Der Luftpfad 6 ist wieder bis zur Einhausung 11 des Brennstoffzellenstapels 2 geführt, so dass auch dieser zumindest belüftet werden kann.The fuel cell stack 2 of the fuel cell system 1 is on the anode side 2 connected to an anode circuit in which various components 7, 8, 9, 10 at risk of icing are integrated. This is a jet pump 9 accommodated in a first housing 25 with an upstream metering valve 8 and a recirculation fan 10 accommodated in a second housing 25. With the aid of the jet pump 9 and the recirculation fan 10, depleted fuel escaping from the fuel cell stack 2 can be recirculated. A further component 7 at risk of icing is accommodated in a further housing 25, which is a purge and/or drain valve. The purge and/or drain valve is connected to the anode circuit 24 on the one hand and to a purge and/or drain path 30 on the other hand. All housings 25 of the components 7, 8, 9, 10 are integrated in series in the air path 6 so that they can be heated and/or ventilated with heated air. The air path 6 is again led up to the housing 11 of the fuel cell stack 2, so that this too can at least be ventilated.

Vom Luftpfad 6 zweigt auch bei der Ausführungsform der 2 ein Sekundär-Luftpfad 12 ab, über den eine in einer Einhausung 26 aufgenommene Kühlmittelpumpe 13 eines Kühlkreises 15 beheizt werden kann. Über die in die Einhausung 26 eingeleitete erwärmte Luft kann zugleich ein der Kühlmittelpumpe 13 vorgeschaltetes Wegeventil 14 beheizt werden, das ebenfalls in der Einhausung 26 aufgenommen ist. Über das Wegeventil 14 kann ein Wärmeübertrager 27 in den Kühlkreis 15 integriert werden.From the air path 6 also branches in the embodiment of FIG 2 a secondary air path 12 via which a coolant pump 13 of a cooling circuit 15 accommodated in a housing 26 can be heated. At the same time, a directional control valve 14 which is connected upstream of the coolant pump 13 and is also accommodated in the housing 26 can be heated via the heated air introduced into the housing 26 . A heat exchanger 27 can be integrated into the cooling circuit 15 via the directional control valve 14 .

Die in der 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 unterscheidet sich von dem der 2 insbesondere dadurch, dass die mit Hilfe des Luftverdichters 4 erwärmte Luft zum Beheizen und/oder Belüften wahlweise an einer Stelle x1 oder an einer Stelle x3 entnommen bzw. in den Luftpfad 6 eingeleitet werden kann. Die Stelle x1 ist im Kathodenzuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 und stromaufwärts von zwei Wärmeübertragern 27 angeordnet. Die Stelle x3 befindet sich im Kathodenabluftpfad 17 stromabwärts einer einmündenden Bypassleitung 18 und stromaufwärts einer Turbine 19 zur Energierückgewinnung. Die Bypassleitung 18 verbindet den Kathodenzuluftpfad 3 mit dem Kathodenabluftpfad 17, sofern ein im Bypasspfad 18 angeordnetes Ventil 22 geöffnet wird. An der Stelle x3 kann demzufolge mit Hilfe des Verdichters 4 erwärmte Luft und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende warm-feuchte Abluft in den Luftpfad 6 eingeleitet werden.The one in the 3 illustrated preferred embodiment of a fuel cell system 1 according to the invention differs from that of 2 in particular in that the air heated with the aid of the air compressor 4 for heating and/or ventilation can be removed either at a point x1 or at a point x3 or introduced into the air path 6 . The point x1 is arranged in the cathode supply air path 3 downstream of the air compressor 4 and upstream of two heat exchangers 27 . The point x3 is located in the cathode exhaust air path 17 downstream of a bypass line 18 that opens into it and upstream of a turbine 19 for energy recovery. The bypass line 18 connects the cathode air supply path 3 to the cathode exhaust air path 17 if a valve 22 arranged in the bypass path 18 is opened. At the point x3 can therefore be heated with the help of the compressor 4 air and / or from the fuel cell Stack 2 emerging warm-moist exhaust air are introduced into the air path 6.

Optional kann im Luftpfad 6 ein Ventil 31 angeordnet sein, wobei es sich insbesondere um ein 3-Wegeventil handeln kann. Wird dieses geschlossen, gelangt keine warm-feuchte Abluft mehr in den Luftpfad 6. Über die Stelle x1 kann jedoch weiterhin mit Hilfe des Luftverdichters 4 erwärmte Luft dem Kathodenzuluftpfad 3 entnommen und in den Luftpfad 6 eingeleitet werden.Optionally, a valve 31 can be arranged in the air path 6, which can in particular be a 3-way valve. If this is closed, warm, moist exhaust air no longer enters the air path 6 . However, air that has been heated with the aid of the air compressor 4 can still be removed from the cathode supply air path 3 via the point x1 and introduced into the air path 6 .

Als weitere Unterschiede zur Ausführungsform der 2 sind zu nennen, dass die anodenseitig angeordneten Komponenten 7, 8, 9, 10 alle in einer gemeinsamen Einhausung 25 aufgenommen sind. Der Luftpfad 6 kann somit verkürzt werden. Ferner wird bei der Ausführungsform der 3 über den vom Luftpfad 6 abzweigenden Sekundär-Luftpfad 12 lediglich die Kühlmittelpumpe 13 beheizt, da das vorgeschaltete Wegeventil 14 außerhalb der Einhausung 26 angeordnet ist.As further differences to the embodiment of 2 it should be mentioned that the components 7 , 8 , 9 , 10 arranged on the anode side are all accommodated in a common housing 25 . The air path 6 can thus be shortened. Furthermore, in the embodiment of 3 Only the coolant pump 13 is heated via the secondary air path 12 branching off from the air path 6 , since the upstream directional control valve 14 is arranged outside the housing 26 .

Welche Komponenten - jeweils einzeln oder gemeinsam - eingehaust sind, kann grundsätzlich frei gewählt werden. Die in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen zeigen daher lediglich Beispiele. Die Art, Anzahl und/oder Anordnung der kathodenseitig angeordneten Komponenten kann ebenfalls variieren. Zwingend vorhanden ist jedoch ein Luftverdichter. Dieser kann ein- oder mehrstufig aufgebaut sein.Which components - individually or together - are housed can basically be chosen freely. The in the 2 and 3 The embodiments shown therefore only show examples. The type, number and/or arrangement of the components arranged on the cathode side can also vary. However, an air compressor is mandatory. This can be constructed in one or more stages.

Claims

Method for operating a fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2) to which a gaseous fuel is supplied on the anode side and air is supplied as an oxygen supplier on the cathode side, the air being compressed beforehand with the aid of an air compressor (4) integrated into a cathode supply air path (3), characterized in that characterized in that, in particular in the event of a freezing or cold start of the system, air heated with the aid of the air compressor (4) and/or with the aid of a secondary air system (5) is conveyed via an air path (6) to at least one encased component (7, 8 , 9, 10) and used to heat and/or ventilate the component (7, 8, 9, 10).

procedure after claim 1 , characterized in that the air used for heating and/or ventilation is then forwarded to the fuel cell stack (2) and used to ventilate a housing (11) accommodating the fuel cell stack (2).

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that at least a partial flow of the heated air is supplied to at least one enclosed component (13, 14) of a cooling circuit (15) of the fuel cell system (1) via a secondary air path (12) branching off from the air path (6).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that with the aid of the air compressor (4) heated air at a point (x1) of the cathode air supply path (3) or at a point (x2) of a bypass path (16) branching off from the cathode air supply path (3) to Bypassing the fuel cell stack (2) is removed and introduced into the air path (6).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that with the aid of the air compressor (4) heated air and/or exhaust air exiting the fuel cell stack (2) is removed at a point (x3) of a cathode exhaust air path (17) and fed into the air path (6) is introduced, the point (x3) being arranged downstream of a bypass path (18) connecting the cathode exhaust air path (17) to the cathode air supply path (3) and/or upstream of a turbine (19) integrated into the cathode exhaust air path (17).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the removal of heated air from the cathode air supply path (3) is controlled with the aid of at least one valve (20, 21, 22) which is preferably located in the cathode air supply path (3) and/or in one with the Cathode supply air path (3) associated bypass path (16, 18) is arranged.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the air used for heating and/or ventilation is discharged via an exhaust air path (23) and discharged to the environment.

Fuel cell system (1), comprising a fuel cell stack (2) to which fuel can be supplied on the anode side and air as an oxygen supplier can be supplied to the cathode side via a cathode supply air path (3), an air compressor (4) for compressing the air being integrated into the cathode supply air path (3), characterized in that characterized in that the air compressor (4) via - the cathode air supply path (3) and/or - a bypass path (16, 18) connected to the cathode air supply path (3) to bypass the fuel cell stack (2) and/or - a cathode exhaust air path (17). an air path (6) is connected, in which at least one housed component (7, 8, 9, 10) arranged on the anode side is integrated.

Fuel cell system (1) after claim 8 , characterized in that the air path (6) branches off a secondary air path (12), in which at least one housed component (13, 14) of a cooling circuit (15) of the fuel cell system (1) is integrated.

Fuel cell system (1) after claim 8 or 9 , characterized in that the air path (6) is connected to a housing (11) of the fuel cell stack (2).