DE102022210745A1 - Method for operating a fuel cell system, fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (100, 200), die jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei den Kathoden (110, 210) jeweils über einen Zuluftpfad (111, 211) Luft zugeführt wird und aus den Brennstoffzellenstapeln (100, 200) austretende Abluft jeweils über einen Abluftpfad (112, 212) abgeführt wird, und wobei die Anoden (120, 220) jeweils über einen Anodenkreis (121, 221) mit Wasserstoff versorgt werden. Erfindungsgemäß wird beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1) durch Abluftrückführung Inertgas erzeugt und mit Hilfe des erzeugten Inertgases wird mindestens ein Brennstoffzellenstapel (200, 100) inertisiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1), das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.

Figure DE102022210745A1_0000
The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (100, 200), each of which has a cathode (110, 210) and an anode (120, 220), wherein air is supplied to the cathodes (110, 210) via an air supply path (111, 211) and exhaust air emerging from the fuel cell stacks (100, 200) is discharged via an exhaust air path (112, 212), and wherein the anodes (120, 220) are each supplied with hydrogen via an anode circuit (121, 221). According to the invention, when starting and/or shutting down the fuel cell system (1), inert gas is generated by exhaust air recirculation and at least one fuel cell stack (200, 100) is inertized using the inert gas generated.
The invention further relates to a fuel cell system (1) which is suitable for carrying out the method or can be operated according to the method.
Figure DE102022210745A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.The invention relates to a method for operating a fuel cell system having the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system which is suitable for carrying out the method or can be operated according to the method.

Bevorzugter Anwendungsbereich sind Brennstoffzellen-Fahrzeuge, vorzugsweise Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Start-Stopp-Betrieb.The preferred area of application is fuel cell vehicles, preferably fuel cell vehicles with start-stop operation.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Als Reaktionsgase können insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) verwendet werden. Diese werden mit Hilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme gewandelt. Den Kern einer Brennstoffzelle bildet eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine Membran umfasst, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden der einen Elektrode, der Anode, Wasserstoff und der anderen Elektrode, der Kathode, Sauerstoff zugeführt.Fuel cells are electrochemical energy converters. Hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) can be used as reaction gases. These are converted into electrical energy, water (H 2 O) and heat using a fuel cell. The core of a fuel cell is a membrane electrode assembly (MEA), which comprises a membrane that is coated on both sides with a catalytic material to form electrodes. When the fuel cell is in operation, hydrogen is supplied to one electrode, the anode, and oxygen to the other electrode, the cathode.

Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden in der Praxis eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack verbunden. Darüber hinaus können mehrere Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellensysteme zu einem Multi-Stack-System zusammengeschaltet werden.In practice, to increase electrical power, a large number of fuel cells are connected to form a fuel cell stack. In addition, several fuel cell stacks or fuel cell systems can be connected together to form a multi-stack system.

Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems stellen Start- und/oder Stoppphasen eine hohe Belastung dar, die zur Degradation der Brennstoffzellen führen kann. Beim Start ist die Hauptursache dafür eine Wasserstoff-Luft-Front in der Anode. Beim Stopp bzw. Abstellen ist es eine anstehende hohe Spannung, die dadurch bedingt ist, dass die Anode mit Wasserstoff und die Kathode mit Sauerstoff versorgt werden, ohne dass eine elektrische Last aus dem Stack gezogen wird. Dies kann insbesondere in langen Abstellphasen vorkommen.When operating a fuel cell system, start-up and/or stop phases represent a high load that can lead to degradation of the fuel cells. During start-up, the main cause of this is a hydrogen-air front in the anode. During stop or shutdown, it is a high voltage that is present, which is caused by the anode being supplied with hydrogen and the cathode with oxygen without an electrical load being drawn from the stack. This can occur particularly during long shutdown phases.

Um in einer Start- und/oder Stoppphase der Degradation der Brennstoffzellen entgegenzuwirken, kann vor dem Herunterfahren des Systems der in der Kathode vorhandene Sauerstoff verbraucht werden, indem elektrischer Strom ohne zusätzliche Luftzufuhr gezogen wird. Die Anode wird währenddessen weiterhin mit Wasserstoff versorgt, so dass die Zellspannungen unkritisch sind. Diffundiert jedoch Luft in die Kathode, erhöhen sich die Zellspannungen und verbleiben dort für mehrere Stunden, wodurch schädigende elektrochemische Reaktionen hervorgerufen werden. In der Regel sind daher sowohl einlass- als auch auslassseitig Absperrventile vorgesehen, die im Abstellfall verhindern sollen, dass Luft in die Kathode gelangt. Da diese jedoch nicht vollständig dicht sind, insbesondere über Lebensdauer, ist ihre Wirksamkeit begrenzt. Ferner geht mit den Absperrventilen ein nicht unwesentlicher Druckverlust einher.In order to counteract the degradation of the fuel cells during a start-up and/or stop phase, the oxygen present in the cathode can be consumed before the system is shut down by drawing electrical current without additional air supply. The anode is still supplied with hydrogen during this time, so that the cell voltages are not critical. However, if air diffuses into the cathode, the cell voltages increase and remain there for several hours, causing damaging electrochemical reactions. As a rule, shut-off valves are therefore provided on both the inlet and outlet sides to prevent air from entering the cathode when the system is shut down. However, as these are not completely sealed, especially over their service life, their effectiveness is limited. The shut-off valves also result in a significant pressure loss.

Aus stationären Anwendungen ist bekannt, die Anode und ggf. die Kathode vor dem Starten und/oder Herunterfahren mit Stickstoff zu inertisieren, um einer unerwünschten Degradation entgegenzuwirken. Der Stickstoff wird hierzu in einer Flasche vorgehalten. In mobilen Anwendungen ist dies jedoch aus Platzgründen nicht möglich. Ferner muss eine Stickstoffflasche wieder befüllt und gewartet werden, was sich negativ auf die Kosten auswirkt.It is known from stationary applications that the anode and possibly the cathode are inerted with nitrogen before starting and/or shutting down in order to counteract undesirable degradation. The nitrogen is kept in a bottle for this purpose. In mobile applications, however, this is not possible due to space constraints. In addition, a nitrogen bottle must be refilled and maintained, which has a negative impact on costs.

In früheren Anmeldungen derselben Anmelderin wurde bereits vorgeschlagen, die Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels zum Inertisieren eines weiteren Brennstoffzellenstapels einzusetzen. Der das Inertgas spendende Brennstoffzellenstapel wird hierzu unterstöchiometrisch, das heißt mit Lambda ≤ 1 betrieben. Der geringe Luftmassenstrom kann in diesem Fall zu inhomogenen Zellspannungen führen.In earlier applications by the same applicant, it was already proposed to use the exhaust air from a first fuel cell stack to inertize another fuel cell stack. The fuel cell stack that supplies the inert gas is operated substoichiometrically, i.e. with lambda ≤ 1. In this case, the low air mass flow can lead to inhomogeneous cell voltages.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, das Inertisieren mindestens eines Brennstoffzellenstapels eines Multi-Stack-Systems derart weiterzubilden, dass inhomogene Zellspannungen vermieden werden.The present invention is concerned with the task of further developing the inerting of at least one fuel cell stack of a multi-stack system in such a way that inhomogeneous cell voltages are avoided.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the fuel cell system with the features of claim 7 are proposed. Advantageous embodiments can be found in the respective subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellenstapeln, die jeweils eine Kathode und eine Anode aufweisen. Den Kathoden wird jeweils über einen Zuluftpfad Luft zugeführt und aus den Brennstoffzellenstapeln austretende Abluft wird jeweils über einen Abluftpfad abgeführt. Die Anoden werden jeweils über einen Anodenkreis mit Wasserstoff versorgt. Erfindungsgemäß wird beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems durch Abluftrückführung Inertgas erzeugt und mit Hilfe des erzeugten Inertgases wird mindestens ein Brennstoffzellenstapel inertisiert.A method is proposed for operating a fuel cell system with several fuel cell stacks, each of which has a cathode and an anode. Air is supplied to the cathodes via an air supply path and exhaust air emerging from the fuel cell stacks is discharged via an exhaust air path. The anodes are each supplied with hydrogen via an anode circuit. According to the invention, when starting and/or shutting down the fuel cell system, inert gas is generated by exhaust air recirculation and at least one fuel cell stack is rendered inert using the inert gas generated.

Durch Inertisieren des mindestens einen Brennstoffzellenstapels kann die üblicherweise im Start- und/oder Abstellfall auftretende Degradation wirksam eliminiert oder zumindest deutlich reduziert werden, so dass sich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum Inertisieren kein zusätzliches Gas, beispielsweise Stickstoff, vorgehalten werden muss, so dass kein zusätzlicher Bauraum zum Vorhalten von Inertgas bereitgestellt werden muss.By inerting the at least one fuel cell stack, the degradation that usually occurs during start-up and/or shutdown can be effectively eliminated or at least significantly reduced, thus increasing the service life of the fuel cell stack. A further advantage is that no additional gas, such as nitrogen, needs to be kept available for inerting, so no additional installation space needs to be provided for storing inert gas.

Das zum Inertisieren eines Brennstoffzellenstapels benötigte Inertgas wird erfindungsgemäß durch Abluftrückführung erzeugt. Ein unterstöchiometrischer Betrieb eines Brennstoffzellenstapels zur Erzeugung von Inertgas ist demnach vermeidbar, so dass es auch nicht zu inhomogenen Zellspannungen kommt. In der Folge führt auch dies zu einer Steigerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.According to the invention, the inert gas required to inertize a fuel cell stack is generated by exhaust air recirculation. Substoichiometric operation of a fuel cell stack to generate inert gas can therefore be avoided, so that inhomogeneous cell voltages do not occur. As a result, this also leads to an increase in the service life of the fuel cell stack.

Ein weiterer Vorteil der Erzeugung von Inertgas mittels Abluftrückführung besteht darin, dass vom Normalbetrieb schnell auf einen Inertisierungsmodus des Brennstoffzellensystems umgeschaltet werden kann. Auf diese Weise werden eine Komfortverbesserung sowie eine Effizienzsteigerung erzielt. Denn bei der Abluftrückführung wird einem Brennstoffzellenstapel Abluft zugeführt, die bereits sauerstoffarm bzw. weitgehend sauerstofffrei ist. Somit steht das zum Inertisieren benötigte Inertgas schneller zur Verfügung.Another advantage of generating inert gas using exhaust air recirculation is that the fuel cell system can be quickly switched from normal operation to an inerting mode. This improves comfort and increases efficiency. This is because exhaust air recirculation feeds exhaust air into a fuel cell stack that is already low in oxygen or largely oxygen-free. This means that the inert gas required for inerting is available more quickly.

Zur Abluftrückführung wird vorzugsweise ein Abluftrückführungsventil in einem Gasströmungspfad geöffnet, der einen Abluftpfad mit einem Zuluftpfad verbindet. Im Normalbetrieb kann das Abluftrückführungsventil geschlossen werden, so dass dem Brennstoffzellenstapel über den Zuluftpfad nur frische Luft zugeführt wird. Durch Öffnen des Abluftrückführungsventil kann vom Normalbetrieb auf den Inertisierungsmodus umgeschaltet werden.For exhaust air recirculation, an exhaust air recirculation valve is preferably opened in a gas flow path that connects an exhaust air path with an air supply path. In normal operation, the exhaust air recirculation valve can be closed so that only fresh air is supplied to the fuel cell stack via the air supply path. By opening the exhaust air recirculation valve, it is possible to switch from normal operation to inerting mode.

Bevorzugt werden beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems die Abluftpfade eines Inertgas erzeugenden Brennstoffzellenstapels und eines zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels durch Öffnen mindestens eines in einen Abluftpfad integrierten Absperrventils verbunden, so dass die Kathode des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels in umgekehrter Strömungsrichtung durchströmt wird. Beim Durchströmen der Kathode in umgekehrter Strömungsrichtung wird diese dann inertisiert. Die Zuführung des Inertgases erfolgt demnach über die Abluftpfade der Brennstoffzellenstapel, die hierzu verbunden sind bzw. durch Öffnen mindestens eines in einem Abluftpfad integrierten Absperrventils verbunden werden. Für die Zuführung von Inertgas wird demnach weder eine zusätzliche Gasleitung noch ein zusätzliches Absperrventil benötigt. Auf diese Weise können Bauraum und Kosten eingespart werden.Preferably, when starting and/or shutting down the fuel cell system, the exhaust air paths of a fuel cell stack generating inert gas and a fuel cell stack to be inerted are connected by opening at least one shut-off valve integrated into an exhaust air path, so that the cathode of the fuel cell stack to be inerted is flowed through in the opposite direction. When the cathode is flowed through in the opposite direction, it is then inerted. The inert gas is therefore supplied via the exhaust air paths of the fuel cell stacks, which are connected for this purpose or are connected by opening at least one shut-off valve integrated into an exhaust air path. Neither an additional gas line nor an additional shut-off valve is therefore required for the supply of inert gas. In this way, installation space and costs can be saved.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die zum Inertisieren verwendete Abluft nach dem Durchströmen der Kathode in umgekehrter Strömungsrichtung über eine vom Zuluftpfad abzweigende und in den Anodenkreis mündende Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil, das hierzu geöffnet wird, der Anode desselben Brennstoffzellenstapels zugeführt. Die Abluft kann in diesem Fall nicht nur zum Inertisieren der Kathode, sondern ferner zum Inertisieren der Anode des Brennstoffzellenstapels genutzt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the exhaust air used for inerting is fed to the anode of the same fuel cell stack after flowing through the cathode in the opposite flow direction via a connecting line branching off from the supply air path and opening into the anode circuit with an integrated shut-off valve that is opened for this purpose. In this case, the exhaust air can be used not only to inert the cathode, but also to inert the anode of the fuel cell stack.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines in den Anodenkreis des mindestens einen zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels integrierten Gebläses ein Druck im Anodenkreis aufgebaut wird. Der Druck kann zum aktiven Fördern der in den Anodenkreis eingeleiteten Abluft genutzt werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Abluft sowohl in die Kathode als auch in die Anode des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels gelangt.In a further development of the invention, it is proposed that a pressure is built up in the anode circuit with the aid of a blower integrated into the anode circuit of the at least one fuel cell stack to be inerted. The pressure can be used to actively convey the exhaust air introduced into the anode circuit. In this way, it is ensured that the exhaust air reaches both the cathode and the anode of the fuel cell stack to be inerted.

Weiterhin bevorzugt wird die zum Inertisieren des mindestens einen Brennstoffzellenstapels verwendete Abluft nach dem Durchströmen der Anode durch Öffnen eines in den Anodenkreis integrierten Purgeventils und/oder Drainventils aus dem Anodenkreis abgeführt. Da üblicherweise ein Purge- und/oder Drainventil im Anodenkreis eines Brennstoffzellenstapels bereits vorhanden ist, kann dieses zum Abführen der Abluft genutzt werden, so dass hierfür kein zusätzliches Ventil benötigt wird. Die abgeführte Abluft kann anschließend wieder in einen Abluftpfad eingeleitet und entsorgt werden. Eine entsprechende Verbindungsleitung besteht in der Regel ebenfalls bereits, da über das Purge- und/oder Drainventil abgeleitetes Anodengas zum Verdünnen üblicherweise mit Abluft vermischt wird.Furthermore, the exhaust air used to render the at least one fuel cell stack inert is preferably discharged from the anode circuit after flowing through the anode by opening a purge valve and/or drain valve integrated into the anode circuit. Since a purge and/or drain valve is usually already present in the anode circuit of a fuel cell stack, this can be used to discharge the exhaust air, so that no additional valve is required for this. The discharged exhaust air can then be fed back into an exhaust air path and disposed of. A corresponding connecting line is usually already present, since anode gas discharged via the purge and/or drain valve is usually mixed with exhaust air for dilution.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln vorgeschlagen, die jeweils eine Kathode und eine Anode aufweisen. Die Kathoden sind jeweils einlassseitig mit einem Zuluftpfad und auslassseitig mit einem Abluftpfad verbunden. Die Anoden sind jeweils an einen Anodenkreis angeschlossen. Erfindungsgemäß sind zur Erzeugung von Inertgas der Zuluftpfad und der Abluftpfad mindestens eines Brennstoffzellensystems über einen Gasströmungspfad mit integriertem Abluftrückführungsventil verbindbar und der Abluftpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels ist über mindestens ein im Abluftpfad angeordnetes Absperrventil mit dem Abluftpfad eines weiteren Brennstoffzellenstapels verbindbar.To solve the problem mentioned at the beginning, a fuel cell system with several fuel cell stacks is also proposed, each of which has a cathode and an anode. The cathodes are each connected to an air supply path on the inlet side and to an exhaust air path on the outlet side. The anodes are each connected to an anode circuit. According to the invention, in order to generate inert gas, the air supply path and the exhaust air path of at least one fuel cell system can be connected via a gas flow path with an integrated exhaust air recirculation valve, and the exhaust air path of the at least one fuel cell stack can be connected to the exhaust air path of another fuel cell stack via at least one shut-off valve arranged in the exhaust air path.

Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass sich die gleichen Vorteile erzielen lassen. Insbesondere können inhomogene Zellspannungen in dem jeweils Inertgas erzeugenden Brennstoffzellenstapel vermieden werden. Ferner können Bauraum und Kosten eingespart werden, da das Inertgas im Wesentlichen über bereits vorhandene Gasströmungspfade, insbesondere Abluftpfade mit hierin integrierten Absperrventilen, geführt wird.The proposed fuel cell system is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above suitable so that the same advantages can be achieved. In particular, inhomogeneous cell voltages in the fuel cell stack generating the inert gas can be avoided. Furthermore, installation space and costs can be saved because the inert gas is essentially guided via existing gas flow paths, in particular exhaust air paths with shut-off valves integrated therein.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss nicht in jedem Abluftpfad ein Absperrventil vorhanden sein. Beispielsweise genügt auch ein einfaches Rückschlagventil. Über einen Abluftpfad mit Rückschlagventil kann ebenfalls Abluft abgeführt und einem anderen Abluftpfad zum Inertisieren eines weiteren Brennstoffzellenstapels zugeführt werden. In dessen Abluftpfad ist dann jedoch ein Absperrventil und kein Rückschlagventil vorgesehen, da andernfalls die Kathode nicht in umgekehrter Strömungsrichtung von der Abluft durchströmt werden kann.To carry out the method according to the invention, a shut-off valve does not have to be present in every exhaust air path. For example, a simple check valve is sufficient. Exhaust air can also be discharged via an exhaust air path with a check valve and fed to another exhaust air path for inerting another fuel cell stack. However, a shut-off valve and not a check valve is then provided in the exhaust air path, since otherwise the exhaust air cannot flow through the cathode in the opposite flow direction.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweigt von dem Zuluftpfad mindestens eines Brennstoffzellensystems eine Verbindungsleitung ab, die in den Anodenkreis desselben Brennstoffzellenstapels mündet, wobei in die Verbindungsleitung ein Absperrventil integriert ist. Über die Verbindungsleitung kann bei geöffnetem Absperrventil die der Kathode zugeführte Abluft ferner der Anode zum Inertisieren zugeführt werden. Mit der Abluft eines Brennstoffzellenstapels können somit die Kathode und die Anode eines weiteren Brennstoffzellenstapels inertisiert werden.According to a preferred embodiment of the invention, a connecting line branches off from the air supply path of at least one fuel cell system, which opens into the anode circuit of the same fuel cell stack, with a shut-off valve integrated into the connecting line. When the shut-off valve is open, the exhaust air supplied to the cathode can also be supplied to the anode for inerting via the connecting line. The exhaust air from one fuel cell stack can thus be used to inertize the cathode and the anode of another fuel cell stack.

Die Verbindungsleitung zweigt vorzugsweise stromabwärts eines in den Zuluftpfad integrierten Absperrventils ab. Dieses kann dann während des Inertisierens geschlossen bzw. geschlossen gehalten werden, so dass keine Luft über den Zuluftpfad in die Kathode gelangt.The connecting line preferably branches off downstream of a shut-off valve integrated into the supply air path. This can then be closed or kept closed during inerting so that no air reaches the cathode via the supply air path.

In den Zuluftpfad des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels muss nicht zwingend ein Absperrventil integriert sein. Oftmals wird das Absperrventil durch ein einfaches Rückschlagventil ersetzt, durch das die Strömungsrichtung im Zuluftpfad vorgegeben wird. Sofern ein Absperrventil in den Zuluftpfad integriert ist, wird dieses bevorzugt bereits beim Inertisieren der Kathode geschlossen, so dass sichergestellt ist, dass über den Zuluftpfad keine Luft mehr in die Kathode gelangt. Sofern lediglich ein einfaches Rückschlagventil in den Zuluftpfad integriert ist, kann die Luftzufuhr durch Abschalten eines Luftverdichters eines Luftsystems, dass im Normalbetrieb des Systems der Luftversorgung dient, während des Inertisierens und/oder Trocknens unterbrochen werden.A shut-off valve does not necessarily have to be integrated into the supply air path of the fuel cell stack to be inerted. The shut-off valve is often replaced by a simple check valve, which determines the flow direction in the supply air path. If a shut-off valve is integrated into the supply air path, it is preferably closed when the cathode is inerted, so that it is ensured that no more air enters the cathode via the supply air path. If only a simple check valve is integrated into the supply air path, the air supply can be interrupted by switching off an air compressor of an air system that is used to supply air during normal operation of the system during inerting and/or drying.

Vorteilhafterweise ist in den Anodenkreis mindestens eines Brennstoffzellenstapels ein Gebläse integriert. Mit Hilfe des Gebläses kann bei Bedarf ein Druck im Anodenkreis aufgebaut werden, so dass das Gebläse zur aktiven Förderung der Abluft einsetzbar ist.Advantageously, a fan is integrated into the anode circuit of at least one fuel cell stack. With the help of the fan, pressure can be built up in the anode circuit if necessary, so that the fan can be used to actively convey the exhaust air.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in den Anodenkreis mindestens eines Brennstoffzellenstapels ein Purgeventil und/oder ein Drainventil integriert ist bzw. sind. Über das Purge- und/oder Drainventil kann die zum Inertisieren in den Anodenkreis eingeleitete Abluft wieder abgeführt werden.It is further proposed that a purge valve and/or a drain valve is integrated into the anode circuit of at least one fuel cell stack. The exhaust air introduced into the anode circuit for inerting can be discharged again via the purge and/or drain valve.

Die über das Purge- und/oder Drainventil abgeführte Abluft kann beispielsweise über eine Verbindungsleitung in einen Abluftpfad desselben und/oder eines anderen Brennstoffzellenstapels eingeleitet werden. Dort vermischt sich dann die zum Inertisieren eingesetzte Abluft mit der Abluft des jeweiligen Brennstoffzellenstapels und kann als inertes Gasgemisch aus dem Brennstoffzellensystem ausgeleitet werden.The exhaust air discharged via the purge and/or drain valve can, for example, be introduced via a connecting line into an exhaust air path of the same and/or another fuel cell stack. There, the exhaust air used for inerting then mixes with the exhaust air of the respective fuel cell stack and can be discharged from the fuel cell system as an inert gas mixture.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Inertisieren eines Brennstoffzellenstapels des in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystems im Startfall und
  • 3 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Inertisieren eines Brennstoffzellenstapels des in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystems im Abstellfall.
The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention,
  • 2 the sequence of a method according to the invention for inerting a fuel cell stack of the 1 shown fuel cell system in the start-up case and
  • 3 the sequence of a method according to the invention for inerting a fuel cell stack of the 1 shown fuel cell system in the event of shutdown.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Das in der 1 beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel 100 sowie einen zweiten Brennstoffzellenstapel 200. Jeder Brennstoffzellenstapel 100, 200 weist eine Kathode 110, 210 sowie eine Anode 120, 220 auf.The 1 The fuel cell system 1 according to the invention shown as an example comprises a first fuel cell stack 100 and a second fuel cell stack 200. Each fuel cell stack 100, 200 has a cathode 110, 210 and an anode 120, 220.

Im Normalbetrieb werden die Kathoden 110, 210 jeweils über einen Zuluftpfad 111, 211 mit Luft versorgt. Aus den Kathoden 110, 210 austretende Abluft wird jeweils über einen Abluftpfad 112, 212 abgeführt. Die Zuluftpfade 111, 211 und die Abluftpfade 112, 212 sind für den Anschluss an ein gemeinsames Luftsystem 10 abschnittsweise zusammengeführt. Das gemeinsame Luftsystem 10 weist auf der Zuluftseite einen Luftfilter 13, einen Luftverdichter 14, einen Kühler 15 sowie einen Befeuchter 16 auf, so dass diese Komponenten nur einmal vorgesehen werden müssen. Gleiches gilt in Bezug auf eine Turbine 19 sowie einen Druckregler 20, die auf der Abluftseite des gemeinsamen Luftsystems 10 angeordnet sind. Auf diese Weise können der Bauraumbedarf und die Kosten des Brennstoffzellensystems 1 gesenkt werden. Die Zuluftseite und die Abluftseite des gemeinsamen Luftsystems 10 sind über einen Bypasspfad 17 mit integrierten Bypassventil verbindbar. Auch diese werden vorliegend nur einmal benötigt.In normal operation, the cathodes 110, 210 are each supplied with air via an air supply path 111, 211. Exhaust air exiting the cathodes 110, 210 is discharged via an exhaust air path 112, 212. The air supply paths 111, 211 and the exhaust air paths 112, 212 are combined in sections for connection to a common air system 10. The common air system 10 has an air filter 13, an air compressor 14, a cooler 15 and a humidifier 16 on the air supply side, so that these components only have to be provided once. The same applies to a door bine 19 and a pressure regulator 20, which are arranged on the exhaust air side of the common air system 10. In this way, the installation space requirement and the costs of the fuel cell system 1 can be reduced. The supply air side and the exhaust air side of the common air system 10 can be connected via a bypass path 17 with an integrated bypass valve. These are also only required once in the present case.

Alternativ zur dargestellten Ausführungsform mit einem gemeinsamen Luftsystem 10 für beide Brennstoffzellenstapel 100, 200 kann aber auch jeder Brennstoffzellenstapel 100, 200 über ein eigenes Luftsystem mit Luft versorgt werden. Entsprechend steigt in diesem Fall die Anzahl der zur Luftversorgung benötigten Komponenten, so dass ferner der Bauraumbedarf und die Kosten steigen.As an alternative to the embodiment shown with a common air system 10 for both fuel cell stacks 100, 200, each fuel cell stack 100, 200 can also be supplied with air via its own air system. In this case, the number of components required for the air supply increases accordingly, so that the installation space requirement and the costs also increase.

Bei dem in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 mit nur einem Luftsystem 10 für beide Brennstoffzellenstapel 100, 200 ist darüber hinaus ein Gasströmungspfad 11 mit integriertem Abluftrückführungsventil 12 vorgesehen, das eine Verbindung der in diesem Bereich zusammengeführten Abluftpfade 112, 212 mit den zusammengeführten Zuluftpfaden 111, 211 ermöglicht. Somit kann den Kathoden 110, 210 der Brennstoffzellenstapel 100, 200 Abluft statt Luft zugeführt werden, um die Erzeugung von Inertgas zu fördern.In the 1 In the fuel cell system 1 shown with only one air system 10 for both fuel cell stacks 100, 200, a gas flow path 11 with an integrated exhaust air recirculation valve 12 is also provided, which enables a connection of the exhaust air paths 112, 212 brought together in this area with the brought together supply air paths 111, 211. Thus, the cathodes 110, 210 of the fuel cell stacks 100, 200 can be supplied with exhaust air instead of air in order to promote the generation of inert gas.

Die Anoden 120, 220 der Brennstoffzellenstapel 100, 200 des dargestellten Brennstoffzellensystems 1 werden jeweils über einen Anodenkreis 121, 221 mit Wasserstoff versorgt. Frischer Wasserstoff wird einem Tank (nicht dargestellt) entnommen und über einen Druckregler 125, 225 und eine Strahlpumpe 126, 226 in den jeweiligen Anodenkreis 121, 221 eingeleitet. Mit Hilfe der Strahlpumpe 126, 226 sowie mit Hilfe eines in den jeweiligen Anodenkreis 121, 221 integrierten Gebläses 122, 222 wird aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas rezirkuliert, da dieses noch nicht verbrauchten Wasserstoff enthält. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, das von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, ist jeweils ein Purgeventil 123, 223 zum Spülen des jeweiligen Anodenkreises 121, 221 vorgesehen. Im rezirkulierten Anodengas enthaltenes Flüssigwasser kann jeweils mit Hilfe eines Wasserabscheiders 127, 227 separiert und einem Behälter 128, 228 zugeführt werden. Zum Entleeren des Behälters 128, 228 ist jeweils ein Drainventil 124, 224 vorgesehen, das hierzu geöffnet wird.The anodes 120, 220 of the fuel cell stacks 100, 200 of the fuel cell system 1 shown are each supplied with hydrogen via an anode circuit 121, 221. Fresh hydrogen is taken from a tank (not shown) and introduced into the respective anode circuit 121, 221 via a pressure regulator 125, 225 and a jet pump 126, 226. With the help of the jet pump 126, 226 and with the help of a blower 122, 222 integrated into the respective anode circuit 121, 221, anode gas escaping from the fuel cells is recirculated, since it contains hydrogen that has not yet been used up. Since the recirculated anode gas becomes enriched with nitrogen over time, which diffuses from the cathode side to the anode side, a purge valve 123, 223 is provided for flushing the respective anode circuit 121, 221. Liquid water contained in the recirculated anode gas can be separated with the aid of a water separator 127, 227 and fed to a container 128, 228. A drain valve 124, 224 is provided for emptying the container 128, 228, which is opened for this purpose.

Die Brennstoffzellenstapel 100, 200 des dargestellten Brennstoffzellensystems 1 sind ferner jeweils an einen Kühlkreis 129, 229 angeschlossen, über den die im Betrieb anfallende Wärme abgeführt wird.The fuel cell stacks 100, 200 of the illustrated fuel cell system 1 are further each connected to a cooling circuit 129, 229, via which the heat generated during operation is dissipated.

Die Abluftpfade 112, 212 der beiden Brennstoffzellenstapel 100, 200 sind verbindbar, so dass im Start- und/oder Abstellfall die Abluft des einen Brennstoffzellenstapels 100, 200 zum Inertisieren des jeweils anderen Brennstoffzellenstapels 200, 100 eingesetzt werden kann. In den Abluftpfaden 112, 212 sind hierzu Ventile in Form von Absperrventilen 113, 213 angeordnet.The exhaust air paths 112, 212 of the two fuel cell stacks 100, 200 can be connected so that when starting and/or shutting down, the exhaust air from one fuel cell stack 100, 200 can be used to inert the other fuel cell stack 200, 100. For this purpose, valves in the form of shut-off valves 113, 213 are arranged in the exhaust air paths 112, 212.

Im Start- und/oder Abstellfall kann durch Öffnen der Absperrventile 113, 213 beispielsweise die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 der Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 zugeführt werden, so dass die Kathode 210 in umgekehrter Strömungsrichtung von der Abluft durchströmt wird. Abhängig von der Zusammensetzung der Abluft, insbesondere vom jeweiligen Luftverhältnis, wird dabei die Kathode 210 inertisiert. Idealerweise ist die Abluft sauerstofffrei oder zumindest sauerstoffarm. Der die zum Inertisieren benötigte Abluft erzeugende Brennstoffzellenstapel 100 kann hierzu unterstöchiometrisch betrieben werden. Dies kann jedoch zu inhomogenen Zellspannungen und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 100 führen.When starting and/or shutting down, the exhaust air from the first fuel cell stack 100 can be fed to the cathode 210 of the second fuel cell stack 200 by opening the shut-off valves 113, 213, for example, so that the exhaust air flows through the cathode 210 in the opposite flow direction. Depending on the composition of the exhaust air, in particular the respective air ratio, the cathode 210 is inerted. Ideally, the exhaust air is oxygen-free or at least low in oxygen. The fuel cell stack 100 that generates the exhaust air required for inerting can be operated substoichiometrically for this purpose. However, this can lead to inhomogeneous cell voltages and thus to a reduction in the service life of the fuel cell stack 100.

Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 1 kann zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts der Abluft bzw. zur Erzeugung von Inertgas das im Gasströmungspfad 11 angeordnete Abluftrückführungsventil 12 geöffnet werden, so dass dem Brennstoffzellenstapel 100 Abluft statt Luft zugeführt wird. Ein unterstöchiometrischer Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 ist in diesem Fall nicht erforderlich, so dass es auch nicht zu inhomogenen Zellspannungen sowie der damit einhergehenden negativen Folgen kommt.In the fuel cell system 1 shown, the exhaust air return valve 12 arranged in the gas flow path 11 can be opened to reduce the oxygen content of the exhaust air or to generate inert gas, so that exhaust air instead of air is supplied to the fuel cell stack 100. Substoichiometric operation of the fuel cell stack 100 is not necessary in this case, so that inhomogeneous cell voltages and the associated negative consequences do not occur.

Die mit Hilfe des ersten Brennstoffzellenstapels 100 erzeugte inerte Abluft kann dann über eine vom Zuluftpfad 211 abzweigende Verbindungsleitung 214 mit integriertem Absperrventil 215 der Anode 220 zum Inertisieren zugeführt werden. Vor dem Inertisieren wird jedoch ein im Zuluftpfad 211 angeordnetes weiteres Absperrventil 216 geschlossen bzw. geschlossen gehalten, so dass über den Zuluftpfad 211 keine Luft mehr in die Kathode 210 gelangt.The inert exhaust air generated with the aid of the first fuel cell stack 100 can then be fed to the anode 220 for inerting via a connecting line 214 branching off from the supply air path 211 with an integrated shut-off valve 215. Before inerting, however, a further shut-off valve 216 arranged in the supply air path 211 is closed or kept closed so that no more air reaches the cathode 210 via the supply air path 211.

Da die beiden Brennstoffzellenstapel 100, 200 gleich aufgebaut sind, kann auch der erste Brennstoffzellenstapel 100 mit der Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels inertisiert werden. Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur durch eine vorangestellte „1“ oder eine vorangestellte „2“ dem ersten oder dem zweiten Brennstoffzellenstapel 100, 200 zugeordnet.Since the two fuel cell stacks 100, 200 are constructed in the same way, the first fuel cell stack 100 can also be rendered inert with the exhaust air from the second fuel cell stack. Identical components are provided with the same reference numerals and are only assigned to the first or second fuel cell stack 100, 200 by a preceding "1" or a preceding "2".

Anhand der 2 und 3 werden nachfolgend bevorzugte Abläufe eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Inertisieren eines Brennstoffzellenstapels 200 mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels 100 erläutert. Auch wenn in den nachfolgend beschriebenen Beispielen jeweils die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 zum Inertisieren des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 genutzt wird, kann es sich auch genau umgekehrt verhalten. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 auch mehr als nur zwei Brennstoffzellenstapel 100, 200 aufweisen, so dass die Abluft eines Brennstoffzellenstapels zum Inertisieren der anderen Brennstoffzellenstapels nutzbar ist.Based on 2 and 3 Below, preferred processes of a process according to the invention are process for inerting a fuel cell stack 200 with the exhaust air from another fuel cell stack 100 is explained. Even if in the examples described below the exhaust air from the first fuel cell stack 100 is used to inert the second fuel cell stack 200, the opposite can also happen. Furthermore, the fuel cell system 1 can also have more than just two fuel cell stacks 100, 200, so that the exhaust air from one fuel cell stack can be used to inert the other fuel cell stack.

Im Startfall kann beispielsweise das in der 2 dargestellte Verfahren durchgeführt werden, um einen Brennstoffzellenstapel 200 mit der Abluft eines anderen Brennstoffzellenstapels 100 zu inertisieren.In the case of a start, for example, the 2 The method shown can be carried out to inert a fuel cell stack 200 with the exhaust air of another fuel cell stack 100.

In Schritt S10 des in der 2 dargestellten Verfahrens wird die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 200 gestartet. Zur Erzeugung von Inertgas wird in Schritt S11 das Abluftrückführungsventil 12 im Gasströmungspfad 11 geöffnet, so dass der erste Brennstoffzellenstapel 100 mit Abluft bzw. mit einer hohen Abluftrate betrieben wird (Luftverhältnis λ < 1). In Schritt 12 werden die in den Abluftpfaden 112, 212 integrierten Absperrventile 113, 213 geöffnet, so dass die inerte Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 in die Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 gelangt. In einem Schritt 13 wird zugleich das in den Zuluftpfad 211 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 integrierte Absperrventil 216 geschlossen bzw. geschlossen gehalten, so dass über den Zuluftpfad 211 keine Luft mehr in die Kathode 210 gelangt. Die Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 wird dann in umgekehrter Strömungsrichtung von der inerten Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 durchströmt und dabei inertisiert. Durch Öffnen des in der Verbindungsleitung 214 angeordneten Absperrventils 215 in Schritt S14 wird anschließend die inerte Abluft der Anode 220 zugeführt, so dass auch diese inertisiert wird. Zum Abführen der inerten Abluft wird bzw. werden in Schritt S15 das in den Anodenkreis 221 integrierte Purgeventil 223 und/oder das Drainventil 224 geöffnet. Das Purge- und/oder Drainventil 223, 224 kann bzw. können dabei vollständig oder getaktet geöffnet werden. Sofern in den Anodenkreis 221 ein Gebläse 222 integriert ist, kann dieses in Schritt S16 aktiviert und zum Aufbau eines Drucks bzw. zur aktiven Förderung der inerten Abluft genutzt werden. In Schritt S17 wird dann geprüft, ob die Kathode 210 und die Anode 220 ausreichend inertisiert sind. Wird die ausreichende Inertisierung festgestellt („+“) kann anschließend in Schritt S18 der Vorgang beendet werden. Hierzu werden das Abluftrückführungsventil 12 im Gasströmungspfad 11 sowie das Absperrventil 215 in der Verbindungsleitung 214 geschlossen und der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 auf Normalbetrieb umgestellt, so dass λ ≥ 1 ist. Ferner wird das Absperrventil 216 im Zuluftpfad 211 wieder geöffnet, um die Luftversorgung des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 sicherzustellen.In step S10 of the 2 In the method shown, the inerting of the fuel cell stack 200 is started. To generate inert gas, in step S11 the exhaust air return valve 12 in the gas flow path 11 is opened so that the first fuel cell stack 100 is operated with exhaust air or with a high exhaust air rate (air ratio λ < 1). In step 12 the shut-off valves 113, 213 integrated in the exhaust air paths 112, 212 are opened so that the inert exhaust air of the first fuel cell stack 100 reaches the cathode 210 of the second fuel cell stack 200. In a step 13 the shut-off valve 216 integrated in the supply air path 211 of the second fuel cell stack 200 is simultaneously closed or kept closed so that no more air reaches the cathode 210 via the supply air path 211. The inert exhaust air from the first fuel cell stack 100 then flows through the cathode 210 of the second fuel cell stack 200 in the opposite flow direction and is thereby rendered inert. By opening the shut-off valve 215 arranged in the connecting line 214 in step S14, the inert exhaust air is then fed to the anode 220 so that this is also rendered inert. To remove the inert exhaust air, the purge valve 223 and/or the drain valve 224 integrated in the anode circuit 221 is/are opened in step S15. The purge and/or drain valve 223, 224 can be opened completely or intermittently. If a fan 222 is integrated in the anode circuit 221, this can be activated in step S16 and used to build up pressure or to actively convey the inert exhaust air. In step S17, it is then checked whether the cathode 210 and the anode 220 are sufficiently inerted. If sufficient inerting is determined (“+”), the process can then be ended in step S18. For this purpose, the exhaust air return valve 12 in the gas flow path 11 and the shut-off valve 215 in the connecting line 214 are closed and the operation of the fuel cell stack 100 is switched to normal operation so that λ ≥ 1. Furthermore, the shut-off valve 216 in the supply air path 211 is opened again to ensure the air supply to the second fuel cell stack 200.

Im Abstellfall des Brennstoffzellensystems 1 kann das in der 3 dargestellte Verfahren zur Inertisierung des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 durchgeführt werden.If the fuel cell system 1 is shut down, the 3 The method shown for inerting the second fuel cell stack 200 can be carried out.

In Schritt S20 des in der 3 dargestellten Verfahrens wird die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 200 gestartet. In Schritt 21 werden zunächst die Absperrventile 216 und 213 geschlossen und ein Bleed-Down zur Sauerstoffverarmung des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 durchgeführt. In Schritt 22 wird dann das im Gasströmungspfad 11 angeordnete Abluftrückführungsventil 12 geöffnet und der erste Brennstoffzellenstapel mit hoher Abluftrate betrieben, so dass die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 zumindest annähernd sauerstofffrei bzw. inert ist. Anschließend werden in Schritt 23 die in den Abluftpfaden 112, 212 integrierten Absperrventile 113, 213 geöffnet, so dass die inerte Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 in die Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 gelangt. Zeitgleich wird in Schritt 24 das in den Zuluftpfad 211 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 integrierte Absperrventil 216 geschlossen bzw. geschlossen gehalten. Die Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 wird nun in umgekehrter Strömungsrichtung von der inerten Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 durchströmt. Durch Öffnen des in der Verbindungsleitung 214 angeordneten Absperrventils 215 in Schritt S25 wird anschließend die inerte Abluft der Anode 220 zugeführt. Zum Abführen der inerten Abluft wird bzw. werden in Schritt S26 das in den Anodenkreis 221 integrierte Purgeventil 223 und/oder das Drainventil 224 geöffnet. Das Purge- und/oder Drainventil 223, 224 kann bzw. können dabei vollständig oder getaktet geöffnet werden. Sofern in den Anodenkreis 221 ein Gebläse 222 integriert ist, kann dieses in Schritt S27 aktiviert und zum Aufbau eines Drucks bzw. zur aktiven Förderung der Abluft genutzt werden. In Schritt S28 wird dann geprüft, ob die Kathode 210 und die Anode 220 ausreichend inertisiert sind. Wird die ausreichende Inertisierung festgestellt („+“) kann anschließend in Schritt S29 der Vorgang beendet werden. Hierzu werden das Abluftrückführungsventil 12 im Gasströmungspfad 11 sowie das Absperrventil 215 in der Verbindungsleitung 214 geschlossen und der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 auf Normalbetrieb umgestellt, so dass λ ≥ 1 ist. Ferner wird das Absperrventil 216 im Zuluftpfad 211 wieder geöffnet, um die Luftversorgung des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 sicherzustellen.In step S20 of the 3 In the method shown, the inerting of the fuel cell stack 200 is started. In step 21, the shut-off valves 216 and 213 are first closed and a bleed-down is carried out to deplete the oxygen in the second fuel cell stack 200. In step 22, the exhaust air return valve 12 arranged in the gas flow path 11 is then opened and the first fuel cell stack is operated at a high exhaust air rate so that the exhaust air from the first fuel cell stack 100 is at least approximately oxygen-free or inert. Then, in step 23, the shut-off valves 113, 213 integrated in the exhaust air paths 112, 212 are opened so that the inert exhaust air from the first fuel cell stack 100 reaches the cathode 210 of the second fuel cell stack 200. At the same time, in step 24, the shut-off valve 216 integrated in the supply air path 211 of the second fuel cell stack 200 is closed or kept closed. The inert exhaust air from the first fuel cell stack 100 now flows through the cathode 210 of the second fuel cell stack 200 in the opposite flow direction. By opening the shut-off valve 215 arranged in the connecting line 214 in step S25, the inert exhaust air is then fed to the anode 220. To discharge the inert exhaust air, the purge valve 223 and/or the drain valve 224 integrated in the anode circuit 221 is/are opened in step S26. The purge and/or drain valve 223, 224 can be opened completely or intermittently. If a fan 222 is integrated into the anode circuit 221, this can be activated in step S27 and used to build up pressure or to actively convey the exhaust air. In step S28, it is then checked whether the cathode 210 and the anode 220 are sufficiently inerted. If sufficient inerting is determined (“+”), the process can then be ended in step S29. For this purpose, the exhaust air return valve 12 in the gas flow path 11 and the shut-off valve 215 in the connecting line 214 are closed and the operation of the fuel cell stack 100 is switched to normal operation so that λ ≥ 1. Furthermore, the shut-off valve 216 in the supply air path 211 is opened again to ensure the air supply to the second fuel cell stack 200.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (100, 200), die jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei den Kathoden (110, 210) jeweils über einen Zuluftpfad (111, 211) Luft zugeführt wird und aus den Brennstoffzellenstapeln (100, 200) austretende Abluft jeweils über einen Abluftpfad (112, 212) abgeführt wird, und wobei die Anoden (120, 220) jeweils über einen Anodenkreis (121, 221) mit Wasserstoff versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1) durch Abluftrückführung Inertgas erzeugt wird und mit Hilfe des erzeugten Inertgases mindestens ein Brennstoffzellenstapel (200, 100) inertisiert wird.Method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (100, 200), each having a cathode (110, 210) and an anode (120, 220), wherein air is supplied to the cathodes (110, 210) via an air supply path (111, 211) and exhaust air emerging from the fuel cell stacks (100, 200) is discharged via an exhaust air path (112, 212), and wherein the anodes (120, 220) are each supplied with hydrogen via an anode circuit (121, 221), characterized in that when starting and/or shutting down the fuel cell system (1), inert gas is generated by exhaust air recirculation and at least one fuel cell stack (200, 100) is inertized with the aid of the inert gas generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abluftrückführung ein Abluftrückführungsventil (12) in einem Gasströmungspfad (11) geöffnet wird, der einen Abluftpfad (112, 212) mit einem Zuluftpfad (111, 211) verbindet.Procedure according to Claim 1 , characterized in that for the exhaust air return an exhaust air return valve (12) is opened in a gas flow path (11) which connects an exhaust air path (112, 212) with a supply air path (111, 211). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1) die Abluftpfade (112, 212) eines Inertgas erzeugenden Brennstoffzellenstapels (100) und eines zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels (200) durch Öffnen mindestens eines in einen Abluftpfad (112, 212) integrierten Absperrventils (113, 213) verbunden werden, so dass die Kathode (210) des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels (200) in umgekehrter Strömungsrichtung durchströmt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that when starting and/or shutting down the fuel cell system (1), the exhaust air paths (112, 212) of a fuel cell stack (100) generating inert gas and of a fuel cell stack (200) to be inerted are connected by opening at least one shut-off valve (113, 213) integrated in an exhaust air path (112, 212), so that the cathode (210) of the fuel cell stack (200) to be inerted is flowed through in the opposite flow direction. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Inertisieren verwendete Abluft nach dem Durchströmen der Kathode (210) in umgekehrter Strömungsrichtung über eine vom Zuluftpfad (211) abzweigende und in den Anodenkreis (221) mündende Verbindungsleitung (214) mit integriertem Absperrventil (215), das hierzu geöffnet wird, der Anode (220) desselben Brennstoffzellenstapels (200) zugeführt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the exhaust air used for inerting is fed to the anode (220) of the same fuel cell stack (200) after flowing through the cathode (210) in the reverse flow direction via a connecting line (214) branching off from the supply air path (211) and opening into the anode circuit (221) with an integrated shut-off valve (215) which is opened for this purpose. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines in den Anodenkreis (221) des mindestens einen zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels (200) integrierten Gebläses (222) ein Druck im Anodenkreis (221) aufgebaut wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that a pressure is built up in the anode circuit (221) with the aid of a blower (222) integrated in the anode circuit (221) of the at least one fuel cell stack (200) to be rendered inert. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Inertisieren des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (200) verwendete Abluft nach dem Durchströmen der Anode (220) durch Öffnen eines in den Anodenkreis (221) integrierten Purgeventils (223) und/oder Drainventils (224) aus dem Anodenkreis (221) abgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust air used for inerting the at least one fuel cell stack (200) is discharged from the anode circuit (221) after flowing through the anode (220) by opening a purge valve (223) and/or drain valve (224) integrated in the anode circuit (221). Brennstoffzellensystem (1) mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (100, 200), die jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei die Kathoden (110, 210) jeweils einlassseitig mit einem Zuluftpfad (111, 211) und auslassseitig mit einem Abluftpfad (112, 212) verbunden sind, und wobei die Anoden (120, 220) jeweils an einen Anodenkreis (121, 221) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Inertgas der Zuluftpfad (111, 211) und der Abluftpfad (112, 212) mindestens eines Brennstoffzellensystems (100, 200) über einen Gasströmungspfad (11) mit integriertem Abluftrückführungsventil (12) verbindbar sind und der Abluftpfad (112, 212) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (100, 200) über mindestens ein im Abluftpfad (112, 212) angeordnetes Absperrventil (113, 213) mit dem Abluftpfad (212, 112) eines weiteren Brennstoffzellenstapels (200, 100) verbindbar ist.Fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (100, 200), each having a cathode (110, 210) and an anode (120, 220), wherein the cathodes (110, 210) are each connected on the inlet side to an air supply path (111, 211) and on the outlet side to an exhaust air path (112, 212), and wherein the anodes (120, 220) are each connected to an anode circuit (121, 221), characterized in that in order to generate inert gas, the air supply path (111, 211) and the exhaust air path (112, 212) of at least one fuel cell system (100, 200) can be connected via a gas flow path (11) with an integrated exhaust air recirculation valve (12), and the exhaust air path (112, 212) of the at least one Fuel cell stack (100, 200) can be connected to the exhaust air path (212, 112) of a further fuel cell stack (200, 100) via at least one shut-off valve (113, 213) arranged in the exhaust air path (112, 212). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Zuluftpfad (111, 211) mindestens eines Brennstoffzellensystems (100, 200), vorzugsweise stromabwärts eines in den Zuluftpfad (111, 211) integrierten Absperrventils (116, 216), eine Verbindungsleitung (114, 214) abzweigt, die in den Anodenkreis (121, 221) desselben Brennstoffzellenstapels (100, 200) mündet, wobei in die Verbindungsleitung (114, 214) ein Absperrventil (115, 215) integriert ist.Fuel cell system (1) according to Claim 7 , characterized in that a connecting line (114, 214) branches off from the supply air path (111, 211) of at least one fuel cell system (100, 200), preferably downstream of a shut-off valve (116, 216) integrated into the supply air path (111, 211), which opens into the anode circuit (121, 221) of the same fuel cell stack (100, 200), wherein a shut-off valve (115, 215) is integrated into the connecting line (114, 214). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Anodenkreis (121, 221) mindestens eines Brennstoffzellenstapels (100, 200) ein Gebläse (122, 222) integriert ist.Fuel cell system (1) according to Claim 7 or 8th , characterized in that a fan (122, 222) is integrated into the anode circuit (121, 221) of at least one fuel cell stack (100, 200). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Anodenkreis (121, 221) mindestens eines Brennstoffzellenstapels (100, 200) ein Purgeventil (123, 223) und/oder ein Drainventil (124, 224) integriert ist bzw. sind.Fuel cell system (1) according to one of the Claims 7 until 9 , characterized in that a purge valve (123, 223) and/or a drain valve (124, 224) is/are integrated into the anode circuit (121, 221) of at least one fuel cell stack (100, 200).
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