本发明涉及一种燃料电池系统和用于运行燃料电池系统的方法。
背景技术：
1、在也通过燃料电池提供驱动能的车辆中，通常氧化剂利用来自环境空气中的氧气，以便在燃料电池中与氢反应形成水并且从而通过电化学转化提供电功率。在此，环境空气通常借助压缩机被供应给一个或多个燃料电池堆叠。为此需要与运行点相关的空气质量流和相应的压力水平。压缩机通常具有热流体机械。可选地，为了压缩空气也可以借助涡轮机实现从流出的空气中回收能量。
2、已知用于实现单个燃料电池堆叠、燃料电池堆叠的阴极路径或其周围区域的惰性化、尤其改善退化的方案和方法。
技术实现思路
1、本发明的任务是提出一种具有多个燃料电池堆叠的燃料电池系统，该燃料电池系统能够实现燃料电池堆叠的阴极路径的惰性化。
2、该任务通过具有独立权利要求1特征的燃料电池系统来解决。有利的实施方式和扩展方案能够由从属权利要求和下面的说明得出。
3、提出一种燃料电池系统，包括具有第一压缩机、第一供入空气入口和第一排出空气出口的第一燃料电池堆叠；具有第二压缩机、第二供入空气入口和第二排出空气出口的至少一个第二燃料电池堆叠；具有供入空气截止阀的中央供入空气接头，具有排出空气截止阀的中央排出空气接头以及控制单元，其中，第一供入空气入口和第二供入空气入口与中央供入空气接头耦合，其中，第一排出空气出口和第二排出空气出口与中央排出空气接头耦合，其中，控制单元与第一燃料电池堆叠、至少一个第二燃料电池堆叠、供入空气截止阀和排出空气截止阀耦合，并且其中，控制单元构造为用于如此控制第一燃料电池堆叠和至少一个第二燃料电池堆叠的运行，使得燃料电池堆叠和燃料电池系统的一部分可以转移到惰性化状态中，在惰性化状态中，供入空气截止阀和排出空气截止阀暂时关闭，第一压缩机不输送供入空气到第一供入空气入口中并且至少一个第二压缩机运行，使得来自至少一个第二燃料电池堆叠的排出空气到达第一排出空气出口中并且穿过第一燃料电池堆叠再循环到至少一个第二供入空气入口中。
4、借助如此实施的燃料电池系统可以尤其避免具有由于较长时间停止而扩散到阳极侧上的氧气的有害的启动。因此也可以避免氧气到达阴极侧上并且氢气到达阳极侧上而不存在电流的状态。因此可以明显提高燃料电池系统的使用寿命。除了改善堆叠退化外，该方案也可以用于优化运行策略并且用于改善系统行为，尤其在正常运行以外的运行模式中，如启停、系统关停、泄载(bleed-down)、待机、冻结启动、再生运行、带唤醒的停止阶段等。
5、燃料电池堆叠尤其可以包括具有聚合物电解质膜的燃料电池。燃料电池堆叠在此包括多个燃料电池，这些燃料电池以堆叠的布置存在并且在此尤其具有电串联和/或并联连接，用于提高输出的电压和/或给定的电流。在此，燃料电池优选地通过双极板彼此分开，该双极板将离析物大面积地分布、吸收和导出产物水、实现主动冷却并且允许电流流动。每个燃料电池堆叠具有阳极路径和阴极路径，其中，供入空气入口被供给以空气并且排出空气被输出到排出空气出口上。氢气被供应给阳极路径。为此设置相应的管路、阀和其他构件，这些构件调整和保持与对应燃料电池堆叠的运行点相关的压力水平。这种布置也称为“植物平衡(balance of plant)”。然而，这在本发明的范畴内并不重要。
6、第一压缩机和/或第二压缩机可以单级或多级地实施，根据各个燃料电池堆叠的设计和对应所需的最大功率。使用能够电运行的压缩机是特别有意义的，该压缩机例如通过逆变器供给以匹配的电压并且能够通过控制单元简单地操控。对应的压缩机可以与单个压缩机叶轮或两个压缩机叶轮耦合，其中，后者可以彼此并联或串联地气动连接。压缩机用于将来自周围环境的新鲜空气压缩到所希望的压力水平并且供应给所涉及的燃料电池堆叠。
7、压缩机仅通过中央供入空气接头获得新鲜空气。燃料电池堆叠的所有排出空气出口与中央排出空气接头连接。如果通过关闭供入空气截止阀关闭供入空气接头，以及通过关闭排出空气截止阀关闭中央排出空气接头，则在燃料电池堆叠的空气管路和阴极路径中形成完全封闭的体积。如果在该封闭体积中有氧气，该氧气可以通过燃料电池反应(通过汲取电流的方式)分解并且从而实现惰性化。为此设置燃料电池系统的特别的运行策略，这在此称为惰性化过程并且在该过程结束时实现惰性化状态。在该惰性化状态中，例如关停第一压缩机。至少一个第二压缩机继续运行，使得由此在系统中已经存在的空气被主动引导到至少一个第二燃料电池堆叠中。然而，因为在此不能从外部供应，所以存在的氧气逐渐减少，而在该运行状态下，第一燃料电池堆叠以及所属的介质管路仅用于将排出空气从至少一个第二排出空气出口再循环到至少一第二供入空气入口。因为氧气在此仅能够在一个或多个燃料电池堆叠中分解。如果在所有堆叠中都汲取电流，则惰性化更快进行。通过在所有堆叠中汲取电流，不存在ocv(开路电压)。优选地，再循环回路中所涉及的所有堆叠都参与氧气的消耗反应，从而避免过高的电池电压。
8、至少一个第二燃料电池堆叠可以具有多个第二燃料电池堆叠。这些燃料电池堆叠可以同时运行，以便使整个系统惰性化。第二压缩机可以继续正常运行。可以考虑，第二燃料电池堆叠以低功率运行。必须移除所提供的电能用于产生惰性状态，例如通过存储在电存储器中或通过借助电阻或将电能转化成热量的类似装置消耗。
9、在中央排出空气接头的上游可以布置有介质汇集单元，在该介质汇集单元中汇集排出空气出口的流体流。介质汇集单元可以包括用于接收流入的潮湿排出空气的接收体积以及用于将排出空气排放到外部的相应出口。可以考虑，在介质汇集单元中发生水分离。还可以考虑，在介质汇集单元中设置用于检测氢气的传感器，该传感器可以与控制单元耦合，以便能够关于h2含量诊断介质流。
10、介质汇集单元还可以包括构造为用于从燃料电池堆叠收集产物水的水箱。所收集的水例如可以对于其他目的而包括在燃料电池车辆中或具有燃料电池系统的其他单元中。可以通过相应的泵从水箱中取出水并且供应给其他装置。还可以考虑，收集的水的一部分被用于加湿供入空气。
11、第一燃料电池堆叠可以具有在第一排出空气出口下游的第一涡轮机，其中，可选择性地打开的第一涡轮机旁路可以并联于第一涡轮机布置，并且其中，控制单元可以构造为用于在惰性化过程中打开第一涡轮机旁路。第一涡轮机可以与第一压缩机连接。涡轮机优选地支持第一压缩机的电驱动。通过第一涡轮机旁路可以至少部分地绕过第一涡轮机。如果燃料电池系统处于惰性化过程中，则打开第一涡轮机旁路可以是有意义的。然后能够实现沿相反方向简化地流过第一燃料电池堆叠的阴极路径。
12、当然，至少一个第二燃料电池堆叠也具有涡轮机，该涡轮机则可以称为第二涡轮机。该第二涡轮机然后可以支持所涉及的第二压缩机。此外，至少一个第二涡轮机也可以包括第二涡轮机旁路。
13、每个燃料电池堆叠可以包括单独的供入空气截止阀和单独的排出空气截止阀，其中，控制单元可以构造为用于将至少一个燃料电池堆叠在惰性化之后通过关闭所涉及的供入空气截止阀和所涉及的排出空气截止阀在惰性化状态下与其他燃料电池堆叠分离。供入空气截止阀例如可以直接布置在所涉及的压缩机上游。排出空气截止阀可以直接布置在排出空气出口或相应的涡轮机下游。从而可以将燃料电池堆叠与燃料电池系统的其余部分隔离。如果所有燃料电池堆都被惰性化，则这些燃料电池堆叠中的至少一个可以有针对性地如此被隔离，使得其保持在惰性化状态中。在该状态下，也能够跨越较长时间直至所涉及的燃料电池堆叠重新启动。
14、在一个实施方式中，在中央供入空气接头和供入空气入口之间可以不布置单独的供入空气截止阀。因此可以简化各个燃料电池堆叠，使得能够降低用于制造燃料电池系统的成本。
15、本发明还涉及一种用于运行具有多个燃料电池堆叠的燃料电池系统以产生惰性化状态的方法，具有关闭中央供入空气截止阀和中央排出空气截止阀，使得没有新鲜供入空气能够流入到燃料电池系统中并且没有排出空气能够从燃料电池系统中流出，中断第一压缩机的运行，该第一压缩机与第一燃料电池堆叠耦合，并且运行至少一个第二压缩机，该第二压缩机与至少一个第二燃料电池堆叠耦合，使得来自至少一个第二燃料电池堆叠的排出空气到达第一燃料电池堆叠的第一排出空气出口中，并且穿过第一燃料电池堆叠再循环到至少一个第二供入空气入口中。
1.一种燃料电池系统(2、56)，包括：
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(2、56)，
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(2、56)，
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统(2、56)，
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2、56)，
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2、56)，
7.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统(2、56)，
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2、56)，
9.一种用于运行具有多个燃料电池堆叠(4、6)的燃料电池系统(2、56)以产生惰性化状态的方法，具有：
10.根据权利要求9所述的方法，
