WO2023117384A2 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem - Google Patents

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Helerson Kemmer
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Definitions

  • 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 which is suitable for carrying out the method or can be operated according to the method.
  • Preferred areas of application are fuel cell vehicles, preferably fuel cell vehicles with start-stop operation.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters.
  • hydrogen (H2) and oxygen (O2) can be used as reaction gases. These are converted into electrical energy, water (H2O) and heat with the help of a fuel cell.
  • the core of a fuel cell is formed by a membrane-electrode assembly (MEA), which comprises a membrane that is coated on both sides with a catalytic material to form electrodes.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the start and/or stop phases represent a high load, which can lead to degradation of the fuel cells.
  • the primary cause of this is a hydrogen-air front in the anode.
  • shut-off valves are therefore provided on both the inlet and outlet sides, which are intended to prevent air from getting into the cathode in the event of a shutdown.
  • these are not completely sealed, especially over their lifetime, their effectiveness is limited.
  • the shut-off valves are accompanied by a not insignificant loss of pressure.
  • the present invention is concerned with the task of enabling inerting in mobile fuel cell systems as well, in order to counteract degradation of the fuel cells.
  • a method for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks, each of which has a cathode and an anode, is proposed. Air is supplied to the cathodes via an air supply path and Exhaust air emerging from the fuel cell stacks is discharged in each case via an exhaust air path.
  • the anodes are each supplied with hydrogen via an anode circuit. According to the invention, when the fuel cell system is started up and/or shut down, the exhaust air emerging from a fuel cell stack is used to render the anode and/or the cathode of a further fuel cell stack inert.
  • the exhaust air from a fuel cell stack is oxygen-free or at least low in oxygen, so that it is suitable for rendering an anode and/or cathode of another fuel cell stack inert.
  • the exhaust air from a first fuel cell stack is therefore used to make a second fuel cell stack inert when the system is started and/or shut down.
  • the stack degradation that occurs when starting and/or shutting down can be effectively eliminated or at least reduced.
  • the stack lifetime increases.
  • no additional gas, for example nitrogen has to be kept available for inerting, so that the space requirement of the fuel cell system remains essentially unchanged.
  • the exhaust air required for inerting a fuel cell stack is preferably fed to the other fuel cell stack via a connecting line with an integrated shut-off valve, which is opened for this purpose.
  • a connecting line with an integrated shut-off valve which is opened for this purpose.
  • only one additional line and one additional valve are required to carry out the method according to the invention, so that the additional installation space required is negligibly small. The method can thus be implemented very simply and inexpensively.
  • the exhaust air required for inerting a fuel cell stack is preferably fed directly or indirectly to the anode or the cathode of the further fuel cell stack, with the indirect supply preferably taking place via the anode circuit or the air supply path of the further fuel cell stack, depending on whether the anode or the cathode is inerted should.
  • the proposed connecting line with an integrated shut-off valve opens into the Anode circuit or in the supply air path of the fuel cell stack to be inerted.
  • the air supply to the fuel cell stack to be rendered inert is interrupted by switching off an air conveying and air compression system and/or by closing at least one shut-off valve.
  • This ensures that no air or no oxygen gets into the cathode of the fuel cell stack to be inerted.
  • Closing the at least one shut-off valve presupposes that such a shut-off valve is present at all.
  • Carrying out the method according to the invention does not require any shut-off valves for shutting off the cathode, so that shut-off valves in the supply air and/or exhaust air path can be dispensed with. That is, the cost of the check valves can be saved. As a result, there is also no loss of pressure, so that the consumption of hydrogen can also be reduced with the aid of the proposed method.
  • Anode gas from an inerted anode can be removed from the fuel cell system by opening a purge valve and/or drain valve integrated into the anode circuit.
  • the anode gas of an inerted anode can be introduced via a connecting line into an exhaust air path of a fuel cell stack when the purge and/or drain valve is open. This can be the same fuel cell stack or a different one.
  • the anode gas then mixes with the exhaust air in the exhaust air line and can be discharged as an inert gas mixture.
  • the exhaust air required for inerting is generated by substoichiometric operation of a fuel cell stack.
  • a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks is proposed to solve the task mentioned at the outset.
  • the multiple fuel cell stacks each have a cathode and an anode.
  • the cathodes are each connected to a supply air path on the inlet side and to an exhaust air path on the outlet side.
  • the anodes are connected to one each anode circuit connected.
  • the exhaust air path of a fuel cell stack is connected to the anode and/or the cathode of another fuel cell stack, so that the anode and/or the cathode of the other fuel cell stack can be rendered inert using the exhaust air of the other fuel cell stack.
  • the proposed fuel cell system is therefore particularly suitable for carrying out the method described above or can be operated according to this method, so that the same advantages can be achieved.
  • the anode and/or the cathode of a fuel cell stack can be rendered inert simply and inexpensively.
  • the exhaust air path of a fuel cell stack is preferably connected to the anode and/or the cathode of the other fuel cell stack via a connecting line with an integrated shut-off valve.
  • a connecting line with an integrated shut-off valve This means that in the simplest case, the fuel cell system only needs to be expanded to include a connecting line with an integrated shut-off valve. The space requirement of the fuel cell system increases only insignificantly as a result.
  • the connecting line can be connected directly to the anode or the cathode of the fuel cell stack to be rendered inert.
  • the connecting line can be connected indirectly via the anode circuit to the anode or indirectly via the supply air path to the cathode of the fuel cell stack to be inerted.
  • the indirect supply of the exhaust air is particularly easy to implement.
  • an air conveyance and air compression system be integrated into the supply air path of at least one fuel cell stack.
  • a certain air mass flow and a certain pressure level can be provided in the supply air path. If the fuel cell stack is to be rendered inert, the supply of oxygen-containing air can be interrupted by shutting off the air conveyance and air compression system.
  • a purge valve and/or a drain valve is/are preferably integrated into the anode circuit of at least one fuel cell stack.
  • anode gas can escape from the anode circuit be taken away. This is particularly necessary if the anode is to be refilled with hydrogen after it has been rendered inert.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows the sequence of a method according to the invention for operating the fuel cell system shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second fuel cell system according to the invention
  • FIG. 4 shows the sequence of a method according to the invention for operating the fuel cell system shown in FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a third fuel cell system according to the invention
  • FIG. 6 shows the sequence of a method according to the invention for operating the fuel cell system shown in FIG. 5 when it is switched off
  • FIG. 7 shows the sequence of a method according to the invention for operating the fuel cell system shown in FIG. 5 when starting
  • FIG. 8 shows the sequence of an alternative method according to the invention for operating a fuel cell system according to the invention when starting and
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a fourth fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1 according to the invention with a first fuel cell stack 100 and a second fuel cell stack 200.
  • the first fuel cell stack 100 has a cathode 110 and an anode 120 .
  • the cathode 110 is supplied with air as an oxygen supplier via an air supply path 111 .
  • the air is taken from the environment and fed via an air filter 114 to an air delivery and air compression system 113 in order to provide a certain air mass flow and a certain pressure level. Since the air heats up in the process, it is cooled with the aid of a heat exchanger 115 integrated into the supply air path 111 and humidified further downstream with the aid of a humidifier 116 .
  • the air then enters the cathode 110 of the fuel cell stack 100 via a first check valve 117.
  • the exhaust air from the fuel cell stack 100 is discharged via an exhaust air path 112 in which a further check valve 117 is arranged.
  • the humidifier 116 is integrated into the exhaust air path 112 downstream of the non-return valve 117, so that the humid exhaust air can be used to humidify the incoming air. Downstream of the humidifier 116 the exhaust air is fed to a turbine 131 followed by a pressure regulator 130 . A portion of the energy used for compression can be recovered with the aid of the turbine, since the air conveying and air compression system 113 can be driven by means of the turbine 131 .
  • the air inlet path 111 and the air outlet path 112 can be connected via a bypass path 118 with an integrated bypass valve 119 .
  • the anode 120 is supplied with fresh anode gas or hydrogen and with recirculated anode gas via an anode circuit 121 .
  • the recirculation is effected passively with the aid of a jet pump 124 and actively with the aid of a fan 123 .
  • a purge valve 122 is provided in the anode circuit 121 . By opening the purge valve 122, nitrogen-containing anode gas is discharged from the anode circuit 121 and replaced by fresh anode gas via an opened hydrogen metering valve (not shown).
  • a water separator 126 with a container 127 is integrated into the anode circuit 121 .
  • a drain valve 128, the container 127 can be emptied from time to time.
  • the heat generated during operation of the fuel cell stack 100 is dissipated with the aid of a cooling circuit 129 .
  • the exhaust air path 112 of the fuel cell stack 100 is connected to an anode circuit 221 of a further fuel cell stack 200 via a connecting line 2 with an integrated shut-off valve 3 .
  • the shut-off valve 3 When the shut-off valve 3 is open, exhaust air can thus be introduced from the fuel cell stack 100 into the anode circuit 221 .
  • Anode gas enriched with exhaust air then reaches an anode 220 of the fuel cell stack 200 via the anode circuit 221.
  • the fuel cell system 1 shown in FIG. 1 can be operated in the shutdown case according to the method described below and shown in FIG.
  • step S10 of the method illustrated in FIG. 2 an inerting of the anode 220 of the fuel cell stack 200 is started.
  • the air supply to the fuel cell stack 200 is first shut off in step Sil. If the cathode 210 can be shut off by shut-off valves, these are closed in step S12.
  • step S13 the oxygen leaning of the cathode 210 of the fuel cell stack 200 then follows.
  • step S14 the fuel cell stack 100 is operated in lean operation, so that i_U ft ⁇ 1.
  • step S15 the supply of fresh anode gas is interrupted by closing a hydrogen metering valve (not shown) and a purge valve 222 of the fuel cell stack 200.
  • step S16 the shut-off valve 3 in the connecting line 2 is then opened so that exhaust air from the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 reaches the anode circuit 221 of the second fuel cell stack 200 .
  • the anode 220 of the second fuel cell system 200 is rendered inert.
  • the completed inerting is checked in step S17. If the anode 220 has been rendered inert ("yes"), the shut-off valve 3 in the connecting line 2 can then be closed again in step S18 and the lean operation of the fuel cell stack 100 can be switched to normal operation in step S19, so that ⁇ air is 1.
  • the method ends in step S20.
  • the exhaust air from the first fuel cell stack 100 supplied to the second fuel cell stack 200 can be removed again by opening the purge valve 222 .
  • it can be connected via a further connecting line 4 with an integrated shut-off valve 5 to the exhaust air path 112 of the first Fuel cell system 100 are discharged (see Figure 1).
  • both shut-off valves 3 and 5 are opened in step S16 and both shut-off valves 3 and 5 are closed again in step S18.
  • Figure 3 shows another fuel cell system 1 according to the invention with a first fuel cell stack 100 and a second fuel cell stack 200. These correspond to the two fuel cell stacks 100, 200 of the fuel cell system 1 shown in Figure 1. However, the connecting lines 2' and 4' are not shown in Figure 3 connected to the anode circuit 221 or the anode 220, but to the cathode 210 of the second fuel cell stack 200.
  • the cathode when the fuel cell system 1 is started, the cathode can be rendered inert.
  • the method shown in FIG. 4 can be carried out.
  • step S30 of the method illustrated in FIG. 4 inerting of the cathode 210 of the fuel cell stack 200 is started. This is done in step
  • step 531 the first fuel cell stack 100 is operated in lean mode. in step
  • step S33 it is checked whether the cathode 210 is rendered inert. If the result of the test is positive ("yes"), the shut-off valve 3' is closed again in step S34.
  • step S34 is then followed by a step S35, in which the shut-off valves 3, 5 are opened to render the anode 220 inert.
  • step S36 it is checked whether the inerting has been completed. If this is the case (“yes”), the check valves 3, 5 are closed again in step S37. Then, in step S38, the fuel cell stack 100 is switched from lean operation to normal operation, so that i_U ft is 1. The method is then ended in step S39.
  • the inerting of the cathode 210 and the anode 220 therefore requires at least three shut-off valves 3, 3' and 5.
  • the topology of the fuel cell system 1 can be further simplified--as shown by way of example in FIG.
  • the fuel cell system 1 according to the invention shown in FIG. 5 has two fuel cell stacks 100, 200 which are constructed essentially the same and correspond to the fuel cell stack 100 of the fuel cell system 1 of FIG. Therefore the same reference numbers are used.
  • the two fuel cell stacks 100, 200 are connected via a connecting line 2 with an integrated shut-off valve 3, the connecting line 2 connecting the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 to the anode circuit 221 of the second fuel cell stack 200.
  • the fuel cell system 1 can be operated according to the method shown in FIG.
  • step S50 the inerting of the fuel cell stack 200 is started.
  • the air supply in the direction of the cathode 210 is interrupted in step S51 by switching off an air conveying and air compression system 213 . If shut-off valves are provided in a supply air path 211 and/or in an exhaust air path 212, these are closed in step S52.
  • step S53 the cathode 210 of the fuel cell stack 200 is then made leaner in oxygen.
  • step S54 the fuel cell stack 100 is operated in lean operation, so that i_U ft ⁇ 1.
  • a pressure regulator 225 arranged on the anode side of the fuel cell stack 200 to be inerted is closed.
  • step S56 the shut-off valve 3 integrated in the connecting line 2 is opened.
  • step S57 a purge valve 222 and/or a drain valve 228 of the fuel cell stack 200 to be rendered inert is or are then opened. The opening can also be clocked.
  • the exhaust air from the first fuel cell stack 100 that is supplied via the connecting line 2 is then discharged again via the open purge valve 222 and/or the open drain valve 228 .
  • step S58 shows that the anode 220 of the fuel cell stack 200 is rendered inert (“yes”)
  • the shut-off valve 3, the purge valve 222 and/or the drain valve 228 can be closed again in step S59.
  • step S60 the lean operation of the fuel cell stack 100 is switched back to normal operation, so that ⁇ air is 1.
  • step S70 of the method illustrated in FIG. 7 inerting of the cathode 210 of the fuel cell stack 200 is started. This is done in step
  • step 571 the first fuel cell stack 100 operated in lean operation.
  • a pressure regulator 230 arranged in the exhaust air path 212 and a bypass valve 219 of a bypass path 218 of the fuel cell stack 200 to be inerted are closed. Instead of completely closing the pressure regulator 230 and/or the bypass valve 219, they can also only be severely throttled. If a shut-off valve is provided in the supply air path 211 and/or in the exhaust air path 212, they are closed in step S73. Then, in step S74, the shut-off valve 3 integrated into the connecting line 2 is opened.
  • step S75 the purge valve 222 and/or the drain valve 228 is or are opened, if necessary clocked, so that exhaust air from the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 flows via the connecting line 2 into the anode circuit 221 of the second fuel cell stack 200 and via the opened one Purge and / or drain valve 222, 228 leaves again.
  • step S76 it is then checked whether the anode 220 is rendered inert. If the result of the check is positive (“yes”), in step S77 the shut-off valve 3 and the purge and/or drain valve 222, 228 of the fuel cell stack 200 to be inerted are closed again.
  • step S78 the lean operation of the first fuel cell stack 100 is switched back to normal operation, so that the method can be ended in step S79.
  • the method shown in Figure 8 can be carried out at the start if the cathode 210 of the fuel cell stack 200 to be inerted - analogous to Figure 3 - is also connected to the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 via a connecting line 2 'with an integrated shut-off valve 3' .
  • step S80 the inerting of the fuel cell stack 200 is initiated in step S80.
  • the fuel cell stack 100 is operated in lean mode in step S81.
  • step 82 the shut-off valve 3 ′ in the connecting line 2 ′ is then opened so that exhaust air from the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 is supplied to the cathode 210 of the second fuel cell system 200 .
  • step S83 it is checked whether whether the inerting of the cathode 210 is complete. If "yes", the shut-off valve 3' is closed in step S84.
  • step S85 the shut-off valve 3 in the connecting line 2 is opened, so that exhaust air from the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 enters the anode circuit 221 of the second fuel cell stack 200.
  • step S86 the purge valve 222 and/or the drain valve 228 of the fuel cell stack 200 to be inerted is or are opened, so that the quantity supplied can be discharged again via this.
  • step S87 it is checked whether the inerting of the anode 220 is complete. If "yes", the shut-off valve 3 and the purge and/or drain valve 222, 228 are closed again in step S88. The lean operation of the first fuel cell stack 100 is switched back to normal operation in step S89. In step S90, the process ends.
  • FIG. 9 shows a fuel cell system 1 with two fuel cell stacks 100, 200, the fuel cell stack 200 having undergone a modification.
  • controllable shut-off valves 232, 233 are provided in the supply air path 211 and in the exhaust air path 212.
  • the cathode 210 can be rendered inert at the same time with the aid of the anode gas flowing out via the open purge valve 222 and/or the open drain valve 228.
  • the anode gas is introduced via a connecting line 234 into the exhaust air path 212 of the fuel cell stack 200 to be inerted and, with the shut-off valves 232, 233 open, conducted in the opposite flow direction through the cathode 210 (see arrows in FIG. 9).
  • both the anode 220 and the cathode 210 of the fuel cell stack 200 can be rendered inert with only one additional shut-off valve 3 .

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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) die aus einem Brennstoffzellenstapel (100) austretende Abluft zum Inertisieren der Anode (220) und/oder der Kathode (210) eines weiteren Brennstoffzellenstapels (200) genutzt. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
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.
Bevorzugter Anwendungsbereich sind Brennstoffzellen- Fahrzeuge, vorzugsweise Brennstoffzellen- Fahrzeuge mit Start- Stopp- Betrieb.
Stand der Technik
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.
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 zusammengeschaltet werden.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, das Inertisieren auch in mobilen Brennstoffzellensystemen zu ermöglichen, um einer Degradation der Brennstoffzellen entgegenzuwirken.
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.
Offenbarung der Erfindung
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 die aus einem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft zum Inertisieren der Anode und/oder der Kathode eines weiteren Brennstoffzellenstapels genutzt.
Die Abluft eines Brennstoffzellenstapels ist sauerstofffrei oder zumindest sauerstoffarm, so dass sie zum Inertisieren einer Anode und/oder Kathode eines weiteren Brennstoffzellenstapels geeignet ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird daher im Start- und/oder Abstellfall die Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels zum Inertisieren eines zweiten Brennstoffzellenstapels genutzt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die im Start- und/oder Abstellfall auftretende Stackdegradation wirksam eliminiert oder zumindest reduziert werden. Demzufolge erhöht sich die Stacklebensdauer. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum Inertisieren kein zusätzliches Gas, beispielsweise Stickstoff, vorgehalten werden muss, so dass der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems im Wesentlichen unverändert bleibt.
Bevorzugt wird die zum Inertisieren benötigte Abluft eines Brennstoffzellenstapels dem weiteren Brennstoffzellenstapel über eine Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil zugeführt, das hierzu geöffnet wird. Im einfachsten Fall werden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens daher nur eine weitere Leitung und ein weiteres Ventil benötigt, so dass der zusätzliche Bauraumbedarf vernachlässigbar gering ist. Das Verfahren kann somit sehr einfach und kostengünstig umgesetzt werden.
Ferner bevorzugt wird die zum Inertisieren benötigte Abluft eines Brennstoffzellenstapels der Anode oder der Kathode des weiteren Brennstoffzellenstapels direkt oder indirekt zugeführt, wobei vorzugsweise die indirekte Zuführung über den Anodenkreis oder den Zuluftpfad des weiteren Brennstoffzellenstapels erfolgt, je nachdem, ob die Anode oder die Kathode inertisiert werden soll. Bei der indirekten Zuführung mündet demnach die vorgeschlagene Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil in den Anodenkreis oder in den Zuluftpfad des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems die Luftversorgung des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels durch Abschalten eines Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems und/oder durch Schließen mindestens eines Absperrventils unterbrochen wird. Dadurch ist sichergestellt, dass keine Luft bzw. kein Sauerstoff in die Kathode des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels gelangt. Das Schließen des mindestens einen Absperrventils setzt voraus, dass ein solches überhaupt vorhanden ist. Dies ist - je nach Auslegung des Brennstoffzellenstapels bzw. des Brennstoffzellensystems - nicht zwingend erforderlich. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfordert keine Absperrventile zum Absperren der Kathode, so dass auf Absperrventile im Zuluft- und/oder Abluftpfad verzichtet werden kann. Das heißt, dass die Kosten für die Absperrventile eingespart werden können. In der Folge kommt es auch nicht zu einem Druckverlust, so dass mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens ferner der Verbrauch von Wasserstoff gesenkt werden kann.
Durch Öffnen eines in den Anodenkreis integrierten Purgeventils und/oder Drainventils kann Anodengas einer inertisierten Anode aus dem Brennstoffzellensystem entfernt werden. Alternativ kann das Anodengas einer inertisierten Anode bei geöffnetem Purge- und/oder Drainventil über eine Verbindungsleitung in einen Abluftpfad eines Brennstoffzellenstapels eingeleitet werden. Hierbei kann es sich um denselben Brennstoffzellenstapel oder einen anderen handeln. In der Abluftleitung vermischt sich dann das Anodengas mit der Abluft und kann als inertes Gasgemisch ausgeleitet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zum Inertisieren benötigte Abluft durch einen unterstöchiometrischen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels erzeugt.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln vorgeschlagen. Die mehreren Brennstoffzellenstapel weisen jeweils eine Kathode und eine Anode auf. Die Kathoden sind jeweils einlassseitig mit einem Zuluftpfad und auslassseitig mit einem Abluftpfad verbunden. Die Anoden sind jeweils an einen Anodenkreis angeschlossen. Erfindungsgemäß ist der Abluftpfad eines Brennstoffzellenstapels mit der Anode und/oder der Kathode eines weiteren Brennstoffzellenstapels verbunden, so dass die Anode und/oder die Kathode des weiteren Brennstoffzellenstapels mit Hilfe der Abluft des anderen Brennstoffzellenstapels inertisierbar ist.
Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar, so dass die gleichen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann im Start- und/oder Abstellfall einfach und kostengünstig die Anode und/oder die Kathode eines Brennstoffzellenstapels inertisiert werden.
Bevorzugt ist der Abluftpfad eines Brennstoffzellenstapels mit der Anode und/oder der Kathode des weiteren Brennstoffzellenstapels über eine Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil verbunden. Das heißt, dass das Brennstoffzellensystem im einfachsten Fall lediglich um eine Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil erweitert werden muss. Der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems steigt dadurch nur unwesentlich.
Die Verbindungsleitung kann dabei direkt mit der Anode oder der Kathode des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels verbunden sein. Alternativ kann die Verbindungsleitung indirekt über den Anodenkreis mit der Anode oder indirekt über den Zuluftpfad mit der Kathode des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels verbunden sein. Die indirekte Zuführung der Abluft ist besonders einfach umsetzbar.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in den Zuluftpfad mindestens eines Brennstoffzellenstapels ein Luftförderungs- und Luftverdichtungssystem integriert ist. Mit Hilfe des Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems können ein gewisser Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau im Zuluftpfad bereitgestellt werden. Soll der Brennstoffzellenstapel inertisiert werden, kann durch Abstellen des Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems die Zufuhr von sauerstoffhaltiger Luft unterbrochen werden.
Ferner bevorzugt ist bzw. sind in den Anodenkreis mindestens eines Brennstoffzellenstapels ein Purgeventil und/oder ein Drainventil integriert. Durch Öffnen des Purge- und/oder Drainventils kann Anodengas aus dem Anodenkreis abgeführt werden. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn die Anode nach einer Inertisierung erneut mit Wasserstoff befüllt werden soll.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 2 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des in der Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystems,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 4 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des in der Figur 3 dargestellten Brennstoffzellensystems,
Figur 5 eine schematische Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 6 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des in der Figur 5 dargestellten Brennstoffzellensystems im Abstellfall,
Figur 7 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des in der Figur 5 dargestellten Brennstoffzellensystems im Startfall,
Figur 8 den Ablauf eines alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems im Startfall und
Figur 9 eine schematische Darstellung eines vierten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem ersten Brennstoffzellenstapel 100 sowie einem zweiten Brennstoffzellenstapel 200. Der erste Brennstoffzellenstapel 100 weist eine Kathode 110 und eine Anode 120 auf. Die Kathode 110 wird über einen Zuluftpfad 111 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird der Umgebung entnommen und über einen Luftfilter 114 einem Luftförderungs- und Luftverdichtungssystem 113 zugeführt, um einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau bereitzustellen. Da sich hierbei die Luft erwärmt wird sie mit Hilfe eines in den Zuluftpfad 111 integrierten Wärmetauschers 115 gekühlt und weiter stromabwärts mit Hilfe eines Befeuchters 116 befeuchtet. Über ein erstes Rückschlagventil 117 gelangt dann die Luft in die Kathode 110 des Brennstoffzellenstapels 100.
Die Abluft des Brennstoffzellenstapels 100 wird über einen Abluftpfad 112 abgeführt, in dem ein weiteres Rückschlagventil 117 angeordnet ist. Stromabwärts des Rückschlagventils 117 ist der Befeuchter 116 in den Abluftpfad 112 integriert, so dass die feuchte Abluft zum Befeuchten der Zuluft genutzt werden kann. Stromabwärts des Befeuchters 116 wird die Abluft einer Turbine 131 gefolgt von einem Druckregler 130 zugeführt. Mit Hilfe der Turbine kann ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden, da das Luftförderungs- und Luftverdichtungssystem 113 mittels der Turbine 131 antreibbar ist. Zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 100 sind der Zuluftpfad 111 und der Abluftpfad 112 über einen Bypasspfad 118 mit integriertem Bypassventil 119 verbindbar.
Die Anode 120 wird über einen Anodenkreis 121 mit frischem Anodengas bzw. Wasserstoff sowie mit rezirkuliertem Anodengas versorgt. Die Rezirkulation wird passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe 124 sowie aktiv mit Hilfe eines Gebläses 123 bewirkt. Da sich über die Zeit das rezirkulierte Anodengas mit Stickstoff anreichert, das von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, ist im Anodenkreis 121 ein Purgeventil 122 vorgesehen. Durch Öffnen des Purgeventils 122 wird stickstoffhaltiges Anodengas aus dem Anodenkreis 121 abgeführt und über ein geöffnetes Wasserstoffdosierventil (nicht dargestellt) durch frisches Anodengas ersetzt. Da sich das rezirkulierte Anodengas zudem mit Wasser anreichert, ist in den Anodenkreis 121 ein Wasserabscheider 126 mit einem Behälter 127 integriert. Durch Öffnen eines Drainventils 128 kann der Behälter 127 von Zeit zu Zeit geleert werden. Die im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 anfallende Wärme wird mit Hilfe eines Kühlkreises 129 abgeführt.
Der Abluftpfad 112 des Brennstoffzellenstapels 100 ist über eine Verbindungsleitung 2 mit integriertem Absperrventil 3 mit einem Anodenkreis 221 eines weiteren Brennstoffzellenstapels 200 verbunden. Bei geöffnetem Absperrventil 3 kann somit Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 100 in den Anodenkreis 221 eingeleitet werden. Über den Anodenkreis 221 gelangt dann mit Abluft angereichertes Anodengas in eine Anode 220 des Brennstoffzellenstapels 200. Das in der Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 kann im Abstellfall nach dem nachfolgend beschriebenen und in der Figur 2 dargestellten Verfahren betrieben werden.
In Schritt S10 des in der Figur 2 dargestellten Verfahrens wird eine Inertisierung der Anode 220 des Brennstoffzellenstapels 200 gestartet. Hierzu wird in Schritt Sil zunächst die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 200 abgestellt. Sofern die Kathode 210 durch Absperrventile absperrbar ist, werden diese in Schritt S12 geschlossen. In Schritt S13 folgt dann die Sauerstoff- Abmagerung der Kathode 210 des Brennstoffzellenstapels 200. Der Brennstoffzellenstapel 100 wird in Schritt S14 im Magerbetrieb betrieben, so dass i_Uft < 1 ist. In Schritt S15 wird durch Schließen eines Wasserstoffdosierventils (nicht dargestellt) und eines Purgeventils 222 des Brennstoffzellenstapels 200 die Zufuhr von frischem Anodengas unterbrochen. In Schritt S16 wird dann das Absperrventil 3 in der Verbindungsleitung 2 geöffnet, so dass Abluft aus dem Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 in den Anodenkreis 221 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 gelangt. Auf diese Weise wird die Anode 220 des zweiten Brennstoffzellensystems 200 inertisiert. Die abgeschlossene Inertisierung wird in Schritt S17 geprüft. Wird die Inertisierung der Anode 220 festgestellt („ja“) kann anschließend in Schritt S18 das Absperrventil 3 in der Verbindungsleitung 2 wieder geschlossen und in Schritt S19 der Magerbetrieb des Brennstoffzellenstapels 100 auf Normalbetrieb umgestellt werden, so dass ÄLuft 1 ist. In Schritt S20 ist das Verfahren beendet.
Die dem zweiten Brennstoffzellenstapel 200 zugeführte Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 kann durch Öffnen des Purgeventils 222 wieder entfernt werden. Alternativ kann sie über eine weitere Verbindungsleitung 4 mit integriertem Absperrventil 5 in den Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellensystems 100 abgeführt werden (siehe Figur 1). In diesem Fall werden in Schritt S16 beide Absperrventile 3 und 5 geöffnet sowie in Schritt S18 beide Absperrventile 3 und 5 wieder geschlossen.
Figur 3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem ersten Brennstoffzellenstapel 100 sowie einem zweiten Brennstoffzellenstapel 200. Diese entsprechen den beiden Brennstoffzellenstapeln 100, 200 des in der Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 1. Die Verbindungsleitungen 2‘ und 4‘ sind in der Figur 3 jedoch nicht an den Anodenkreis 221 bzw. die Anode 220, sondern an die Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 angeschlossen.
Im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 kann auf diese Weise eine Inertisierung der Kathode bewirkt werden. Beispielsweise kann das in der Figur 4 dargestellte Verfahren durchgeführt werden.
In Schritt S30 des in der Figur 4 dargestellten Verfahrens wird eine Inertisierung der Kathode 210 des Brennstoffzellenstapels 200 gestartet. Hierzu wird in Schritt
531 der erste Brennstoffzellenstapel 100 im Magerbetrieb betrieben. In Schritt
532 wird ein in der Verbindungsleitung 2‘ integriertes Absperrventil 3‘ geöffnet. In Schritt S33 wird geprüft, ob die Kathode 210 inertisiert ist. Ist das Ergebnis der Prüfung positiv („ja“), wird in Schritt S34 das Absperrventil 3‘ wieder geschlossen.
Soll ferner eine Inertisierung der Anode 220 vorgenommen werden, kann das in der Figur 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 um die in der Figur 1 dargestellten Verbindungsleitungen 2, 4 und Absperrventile 3, 5 ergänzt werden. An den Schritt S34 schließt sich dann ein Schritt S35 an, in dem die Absperrventile 3, 5 zum Inertisieren der Anode 220 geöffnet werden. In Schritt S36 wird geprüft, ob die Inertisierung abgeschlossen ist. Ist dies der Fall („ja“), werden in Schritt S37 die Absperrventile 3, 5 wieder geschlossen. Anschließend wird in Schritt S38 von Magerbetrieb des Brennstoffzellenstapels 100 auf Normalbetrieb umgestellt, so dass i_Uft 1 ist. In Schritt S39 ist dann das Verfahren beendet.
Die Inertisierung der Kathode 210 und der Anode 220 erfordert demnach mindestens drei Absperrventile 3, 3‘ und 5. Um die Anzahl der Absperrventile 3, 3‘, 5 zu reduzieren, kann - wie beispielhaft in der Figur 5 gezeigt - die Topologie des Brennstoffzellensystems 1 weiter vereinfacht werden.
Das in der Figur 5 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 weist zwei Brennstoffzellenstapel 100, 200 auf, die im Wesentlichen gleich aufgebaut sind und dem Brennstoffzellenstapel 100 des Brennstoffzellensystems 1 der Figur 1 entsprechen. Daher werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die beiden Brennstoffzellenstapel 100, 200 sind über eine Verbindungsleitung 2 mit integriertem Absperrventil 3 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 2 den Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 mit dem Anodenkreis 221 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 verbindet.
Im Abstellfall kann das Brennstoffzellensystem 1 nach dem in der Figur 6 dargestellten Verfahren betrieben werden.
In Schritt S50 wird die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 200 gestartet. Hierzu wird in Schritt S51 die Luftzufuhr in Richtung der Kathode 210 durch Abschalten eines Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems 213 unterbrochen. Sofern in einem Zuluftpfad 211 und/oder in einem Abluftpfad 212 Absperrventile vorgesehen sind, werden diese in Schritt S52 geschlossen. In Schritt S53 folgt dann die Sauerstoff-Abmagerung der Kathode 210 des Brennstoffzellenstapels 200. Der Brennstoffzellenstapel 100 wird in Schritt S54 im Magerbetrieb betrieben, so dass i_Uft < 1 ist. In Schritt S55 wird ein anodenseitig angeordneter Druckregler 225 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 geschlossen. Anschließend wird in Schritt S56 das in der Verbindungsleitung 2 integrierte Absperrventil 3 geöffnet. In Schritt S57 wird bzw. werden dann ein Purgeventil 222 und/oder ein Drainventil 228 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 geöffnet. Das Öffnen kann auch getaktet erfolgen. Die über die Verbindungsleitung 2 zugeführte Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 wird dann über das geöffnete Purgeventil 222 und/oder das geöffnete Drainventil 228 wieder ausgeleitet. Ergibt eine in Schritt S58 durchgeführte Prüfung, dass die Anode 220 des Brennstoffzellenstapels 200 inertisiert ist („ja“), können in Schritt S59 das Absperrventil 3, das Purgeventil 222 und/oder das Drainventil 228 wieder geschlossen werden. In Schritt S60 wird der Magerbetrieb des Brennstoffzellenstapels 100 wieder auf Normalbetrieb umgestellt, so dass ÄLuft 1 ist. In Schritt S61 ist das Verfahren beendet. Im Startfall kann das in der Figur 7 dargestellte Verfahren durchgeführt werden.
In Schritt S70 des in der Figur 7 dargestellten Verfahrens wird eine Inertisierung der Kathode 210 des Brennstoffzellenstapels 200 gestartet. Hierzu wird in Schritt
571 der erste Brennstoffzellenstapel 100 im Magerbetrieb betrieben. In Schritt
572 werden ein im Abluftpfad 212 angeordneter Druckregler 230 sowie ein Bypassventil 219 eines Bypasspfads 218 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 geschlossen. Anstelle den Druckregler 230 und/oder das Bypassventil 219 ganz zu schließen, kann bzw. können sie auch nur stark gedrosselt werden. Sofern im Zuluftpfad 211 und/oder im Abluftpfad 212 ein Absperrventil vorgesehen ist, wird bzw. werden diese in Schritt S73 geschlossen. Anschließend wird in Schritt S74 das in die Verbindungsleitung 2 integrierte Absperrventil 3 geöffnet. In Schritt S75 wird bzw. werden das Purgeventil 222 und/oder das Drainventil 228 geöffnet, ggf. getaktet, so dass über die Verbindungsleitung 2 Abluft aus dem Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 in den Anodenkreis 221 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 einströmt und über das geöffnete Purge- und/oder Drainventil 222, 228 wieder verlässt. In Schritt S76 wird dann geprüft, ob die die Anode 220 inertisiert ist. Ist das Ergebnis der Prüfung positiv („ja“), werden in Schritt S77 das Absperrventil 3 sowie das Purge- und/oder Drainventil 222, 228 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 wieder geschlossen. In Schritt S78 wird vom Magerbetrieb des ersten Brennstoffzellenstapels 100 wieder auf Normalbetrieb umgestellt, so dass in Schritt S79 das Verfahren beendet werden kann.
Alternativ kann im Startfall das in der Figur 8 dargestellte Verfahren durchgeführt werden, wenn die Kathode 210 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 - analog der Figur 3 - ebenfalls über eine Verbindungsleitung 2‘ mit integriertem Absperrventil 3‘ an den Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 angeschlossen ist.
Bei dem Verfahren der Figur 8 wird in Schritt S80 die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 200 eingeleitet. Hierzu wird in Schritt S81 der Brennstoffzellenstapel 100 im Magerbetrieb betrieben. In Schritt 82 wird dann das Absperrventil 3‘ in der Verbindungsleitung 2‘ geöffnet, so dass Abluft aus dem Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 der Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellensystems 200 zugeführt wird. In Schritt S83 wird geprüft, ob die Inertisierung der Kathode 210 abgeschlossen ist. Falls „ja“ wird in Schritt S84 das Absperrventil 3‘ geschlossen. Anschließend wird in Schritt S85 das Absperrventil 3 in der Verbindungsleitung 2 geöffnet, so dass Abluft aus dem Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 in den Anodenkreis 221 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 gelangt. Ferner wird bzw. werden in Schritt S86 das Purgeventil 222 und/oder das Drainventil 228 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 geöffnet, so dass hierüber die zugeführte Menge wieder abführbar ist. In Schritt S87 wird geprüft, ob die Inertisierung der Anode 220 abgeschlossen ist. Falls „ja“ werden in Schritt S88 das Absperrventil 3 sowie das Purge- und/oder Drainventil 222, 228 wieder geschlossen. Der Magerbetrieb des ersten Brennstoffzellenstapels 100 wird in Schritt S89 wieder auf Normalbetrieb umgestellt. In Schritt S90 wird das Verfahren beendet.
Figur 9 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit zwei Brennstoffzellenstapeln 100, 200, wobei der Brennstoffzellenstapel 200 eine Modifizierung erfahren hat. Anstelle von Rückschlagventilen 217 sind im Zuluftpfad 211 und im Abluftpfad 212 ansteuerbare Absperrventile 232, 233 vorgesehen. Durch Offenhalten der beiden Absperrventile 232, 233 während der Inertisierung der Anode 220 kann mit Hilfe des über das geöffnete Purgeventil 222 und/oder geöffnete Drainventil 228 abströmende Anodengas zugleich die Kathode 210 inertisiert werden. Das Anodengas wird hierzu über eine Verbindungsleitung 234 in den Abluftpfad 212 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 200 eingeleitet und bei geöffneten Absperrventilen 232, 233 in umgekehrter Strömungsrichtung durch die Kathode 210 geführt (siehe Pfeile in der Figur 9). Auf diese Weise kann mit nur einem zusätzlichen Absperrventil 3 sowohl die Anode 220 als auch die Kathode 210 des Brennstoffzellenstapels 200 inertisiert werden.

Claims

Ansprüche
1. 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) die aus einem Brennstoffzellenstapel (100) austretende Abluft zum Inertisieren der Anode (220) und/oder der Kathode (210) eines weiteren Brennstoffzellenstapels (200) genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Inertisieren benötigte Abluft eines Brennstoffzellenstapels (100) dem weiteren Brennstoffzellenstapel (200) über eine Verbindungsleitung (2) mit integriertem Absperrventil (3) zugeführt wird, das hierzu geöffnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Inertisieren benötigte Abluft eines Brennstoffzellenstapels (100) der Anode (220) oder der Kathode (210) des weiteren Brennstoffzellenstapels (200) direkt oder indirekt, vorzugsweise über den Anodenkreis (221) oder den Zuluftpfad (211) des weiteren Brennstoffzellenstapels (200), zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1) die Luftversorgung des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels (200) durch Abschalten eines Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems (213) und/oder durch Schließen mindestens eines Absperrventils (217) unterbrochen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Öffnen eines in den Anodenkreis (221) integrierten Purgeventils (222) und/oder Drainventils (228) Anodengas einer inertisierten Anode (220) aus dem Brennstoffzellensystem (1) entfernt wird oder über eine Verbindungsleitung (4) in einen Abluftpfad (112, 212) eines Brennstoffzellenstapels (100, 200) eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Inertisieren benötigte Abluft durch einen unterstöchiometrischen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels (100, 200) erzeugt wird.
7. 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 der Abluftpfad (112) eines Brennstoffzellenstapels (100) mit der Anode (220) und/oder der Kathode (210) eines weiteren Brennstoffzellenstapels (200) verbunden ist, so dass die Anode (220) und/oder die Kathode (210) mit Hilfe der Abluft inertisierbar ist.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftpfad (112) eines Brennstoffzellenstapels (100) mit der Anode (220) und/oder der Kathode (210) des weiteren Brennstoffzellenstapels (200) über eine Verbindungsleitung (2) mit integriertem Absperrventil (3) verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (2) direkt mit der Anode (220) oder der Kathode (210) des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels (200) verbunden ist. - 15 -
10. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (2) indirekt über den Anodenkreis (221) mit der Anode (220) oder indirekt über den Zuluftpfad (211) mit der Kathode (210) des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels (200) verbunden ist.
11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zuluftpfad (111, 211) mindestens eines Brennstoffzellenstapels (100, 200) ein Luftförderungs- und
Luftverdichtungssystem (113, 212) integriert ist.
12. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Anodenkreis (121, 221) mindestens eines Brennstoffzellenstapels (100, 200) ein Purgeventil (122, 222) und/oder ein Drainventil (128, 228) integriert ist bzw. sind.
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