DE102022209602A1 - Fuel cell system and flushing method for inerting a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and flushing method for inerting a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (1), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Anodenseite (3), die einen Anodenkreislauf (4) aufweist, und einer Kathodenseite (5), die einen Kathodenkreislauf (6) aufweist, einen Stickstofftank (7), um Stickstoff zum Inertisieren des Brennstoffzellensystems (1) zur Verfügung zu stellen, eine Stickstoffzuführleitung (8) mit einer ersten Ventileinrichtung (9) zum Einstellen der Zuführung des Stickstoffs aus dem Stickstofftank (7) zu der Anodenseite (3) und einen Drucksensor (10), insbesondere Stickstoffdrucksensor, zum Einstellen eines Zieldrucks (pZiel) in der Anodenseite (3), wobei eine Steuervorrichtung (11) des Brennstoffzellensystems (1) dazu eingerichtet ist, die erste Ventileinrichtung (9) so zu steuern, dass zyklisch zwischen einem Umgebungsdruck (pamb) und einem maximalen Zieldruck (pZiel) gewechselt werden kann, eine Gasfördereinrichtung (12), die dazu ausgebildet ist, den Stickstoff von dem Stickstofftank (7) kommend über die erste Ventileinrichtung (9) aktiv zu der Anodenseite (3) des Brennstoffzellenstapels (2) zu fördern, eine Wasserabführleitung (13) mit einer zweiten Ventileinrichtung (14) zum Abführen von abgeschiedenem Wasser aus einem ersten Wasserabscheider (15) der Gasfördereinrichtung (12) des Anodenkreislaufs (4) in eine Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6), vorgeschlagen.The invention relates to a fuel cell system (1), comprising a fuel cell stack (2) with an anode side (3), which has an anode circuit (4), and a cathode side (5), which has a cathode circuit (6), a nitrogen tank (7), in order to provide nitrogen for inerting the fuel cell system (1), a nitrogen supply line (8) with a first valve device (9) for adjusting the supply of nitrogen from the nitrogen tank (7) to the anode side (3) and a pressure sensor (10) , in particular nitrogen pressure sensor, for setting a target pressure (ptarget) in the anode side (3), wherein a control device (11) of the fuel cell system (1) is set up to control the first valve device (9) so that cyclically between an ambient pressure (pamb ) and a maximum target pressure (ptarget), a gas delivery device (12) which is designed to actively supply the nitrogen from the nitrogen tank (7) via the first valve device (9) to the anode side (3) of the fuel cell stack (2 ), a water discharge line (13) with a second valve device (14) for removing separated water from a first water separator (15) of the gas delivery device (12) of the anode circuit (4) into an exhaust line (16) of the cathode circuit (6), suggested.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Spülverfahren zum Inertisieren eines Brennstoffzellensystems mit Stickstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 4.The invention relates to a fuel cell system with the features of claim 1. The invention further relates to a flushing method for inerting a fuel cell system with nitrogen with the features of claim 4.

Stand der TechnikState of the art

Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Das Umwandeln von Wasserstoff ist hierbei gleichbedeutend damit, dass Wasserstoffmoleküle anodenseitig verbraucht bzw. entfernt werden.Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell systems convert hydrogen into electrical energy using oxygen, producing waste heat and water. The conversion of hydrogen means that hydrogen molecules are consumed or removed on the anode side.

Die PEM Brennstoffzelle besteht hierbei aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und der dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen werden in der praktischen Anwendung gestapelt, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Innerhalb dieses Brennstoffzellenstapels, genannt Brennstoffzellen-Stack, befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. die abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren.The PEM fuel cell consists of an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air, and the polymer electrolyte membrane placed in between. In practical use, several such individual fuel cells are stacked to increase the electrical voltage generated. Within this fuel cell stack, called the fuel cell stack, there are supply channels that supply the individual cells with hydrogen and air or transport away the depleted moist air and the depleted anode exhaust gas.

Zur Separation von flüssigem Wasser vom gasförmigen Teil des Anodenabgases werden spezielle Wasserabscheider verwendet. Neben der Abscheidefunktion hat der Abscheider auch die Aufgabe, abgeschiedenes Wasser zu speichern. Ist der Speicher voll, erfolgt das Ausleiten des Wassers mittels des Öffnens eines so genannten Ablaufventils.Special water separators are used to separate liquid water from the gaseous part of the anode exhaust gas. In addition to the separation function, the separator also has the task of storing separated water. If the storage tank is full, the water is drained out by opening a so-called drain valve.

Durch Diffusionsprozesse gelangt Stickstoff in den Anodenraum. Eine weitere Quelle von Stickstoff stellt der frische Brennstoff dar, der nicht zu 100% aus reinem Wasserstoff besteht. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, reduziert die Zellspannung und somit die Stackspannung, was wiederum zu Wirkungsgradeinbußen führt. Deswegen wird während eines Fahrzyklus wiederholt auch Gas aus dem Anodenraum ausgeleitet, um den Stickstoffgehalt zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit dem sogenannten Entlüftungsventil.Nitrogen enters the anode space through diffusion processes. Another source of nitrogen is fresh fuel, which is not 100% pure hydrogen. Nitrogen represents an inert gas for the fuel cell, reduces the cell voltage and thus the stack voltage, which in turn leads to a loss of efficiency. For this reason, gas is repeatedly discharged from the anode chamber during a driving cycle in order to reduce the nitrogen content. This drainage is done with the so-called vent valve.

Die Versorgung mit frischem Wasserstoff erfolgt nach dem Stand der Technik mittels Wasserstoffdosierventilen, welche als Proportionalventil ausgeführt sein können. Die Regelstrategie sieht vor, mit diesem Ventil den Gasdruck innerhalb des Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln.According to the state of the art, the supply of fresh hydrogen takes place using hydrogen metering valves, which can be designed as a proportional valve. The control strategy envisages using this valve to adjust the gas pressure within the anode path, measured by a pressure sensor at a defined position, to a defined target pressure depending on the system operating point.

Damit der nicht gebrauchte Wasserstoff wiederverwendet werden kann, ist die Anode nach dem Stand der Technik in einem geschlossenen Kreis aufgebaut. Um die Gasmischung zur Rezirkulation zu provozieren, wird ein Lüfter im Anodenkreis eingebaut.So that the unused hydrogen can be reused, the anode is constructed in a closed circuit according to the state of the art. In order to provoke the gas mixture to recirculate, a fan is installed in the anode circuit.

Zwischen dem Wasserstofftank und den Wasserstoffdosierventilen befinden sich weitere Ventile, Leitungen und ein Druckminderer. Diese haben die Aufgabe, den Wasserstofftank von der Anode sicher zu trennen und den Wasserstoffdruck an den Betriebsdruck der Wasserstoffdosierventile anzupassen. Hat ein System zwei Wasserreservoirs (Hauptwasserabscheider und Gasfördereinrichtung) fungieren beide als Ablaufventil und Eines übernimmt zusätzlich die Aufgabe als Entlüftungsventil.There are additional valves, lines and a pressure reducer between the hydrogen tank and the hydrogen metering valves. These have the task of safely separating the hydrogen tank from the anode and adapting the hydrogen pressure to the operating pressure of the hydrogen metering valves. If a system has two water reservoirs (main water separator and gas delivery device), both function as a drain valve and one also serves as a vent valve.

Systembedingt befindet sich im Abgaspfad der Kathodenluft stromabwärts der Einleitungspunkte des Entlüftungsventils und des Ablaufventils ein Wasserstoffsensor (Hydrogen Sensor). Gelangt Anodengas in den Abgaspfad der Kathodenluft, wird dies am Wasserstoffsensor detektiert.Due to the system, there is a hydrogen sensor (hydrogen sensor) in the exhaust gas path of the cathode air downstream of the introduction points of the vent valve and the drain valve. If anode gas gets into the exhaust gas path of the cathode air, this is detected by the hydrogen sensor.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Offenbart wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Spülverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 4. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Spülverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.A fuel cell system with the features of independent patent claim 1 and a flushing method with the features of independent patent claim 4 are disclosed. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the flushing method according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anodenseite, die einen Anodenkreislauf aufweist, und einer Kathodenseite, die einen Kathodenkreislauf aufweist, einen Stickstofftank, um Stickstoff zum Inertisieren des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, eine Stickstoffzuführleitung mit einer ersten Ventileinrichtung zum Einstellen der Zuführung des Stickstoffs aus dem Stickstofftank zu der Anodenseite und einen Drucksensor, insbesondere Stickstoffdrucksensor, zum Einstellen eines Zieldrucks in der Anodenseite, wobei eine Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems dazu eingerichtet ist, die erste Ventileinrichtung so zu steuern, dass zyklisch zwischen einem Umgebungsdruck und maximalen Zieldruck gewechselt werden kann, eine Gasfördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Stickstoff von dem Stickstofftank kommend über die erste Ventileinrichtung aktiv zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu fördern und eine Wasserabführleitung mit einer zweiten Ventileinrichtung zum Abführen von abgeschiedenem Wasser aus einem ersten Wasserabscheider der Gasfördereinrichtung des Anodenkreislaufs in eine Abgasleitung des Kathodenkreislaufs.According to the invention, a fuel cell system is provided, comprising a fuel cell stack with an anode side that has an anode circuit and a cathode side that has a cathode circuit, a nitrogen tank to provide nitrogen for inerting the fuel cell system, a nitrogen supply line with a first valve device for adjusting the Supplying the nitrogen from the nitrogen tank to the anode side and a pressure sensor, in particular nitrogen pressure sensor, for setting a target pressure in the anode side, wherein a control device of the fuel cell system is set up to control the first valve device in such a way that cyclical changes are made between an ambient pressure and a maximum target pressure can, a gas delivery device that is designed to remove the nitrogen from the stick material tank coming via the first valve device to actively convey to the anode side of the fuel cell stack and a water discharge line with a second valve device for discharging separated water from a first water separator of the gas conveying device of the anode circuit into an exhaust gas line of the cathode circuit.

Der Brennstoffzellenstapel weist hier eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, die mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems inertisiert werden können.The fuel cell stack here has a large number of fuel cells that can be inerted using the fuel cell system according to the invention.

Vor einer Wartung müssen alle Leitungen und Komponenten, die sich mit Wasserstoff in Kontakt befinden, gespült und durch Stickstoff ersetzt werden, das heißt, das Brennstoffzellensystem muss inertisiert werden. Dies ist erforderlich, damit beispielsweise beim Zerlegen des Brennstoffzellensystems wenig Wasserstoff in Kontakt mit der Umgebungsluft kommt, um so die Brenn- oder Explosionsgefahr zu reduzieren. Durch die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels wird neben der Vermeidung von Brenn-und Explosionsgefahr auch dessen potenziell gefährliche elektrische Spannung abgebaut.Before maintenance, all lines and components that come into contact with hydrogen must be flushed and replaced with nitrogen, which means the fuel cell system must be inerted. This is necessary so that, for example, when dismantling the fuel cell system, little hydrogen comes into contact with the ambient air in order to reduce the risk of combustion or explosion. In addition to avoiding the risk of combustion and explosion, the inerting of the fuel cell stack also reduces its potentially dangerous electrical voltage.

Durch das Inertisieren wird somit die Sicherheit für die Durchführung einer Wartung eines Brennstoffzellensystems hergestellt und maßgeblich erhöht.By inerting, the safety of carrying out maintenance on a fuel cell system is created and significantly increased.

Durch das zyklische Wechseln zwischen einem Umgebungsdruck und einem maximalen Zieldruck durch das Ansteuern der ersten Ventileinrichtung durch die Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems wird eine Art Pulsieren der Gasströmung erzeugt. Dies erhöht die Wirksamkeit und die Geschwindigkeit mit der der Stickstoff den Wasserstoff ersetzt. Es steigert somit die Effizienz des Inertisierens des Brennstoffzellensystems.By cyclically changing between an ambient pressure and a maximum target pressure by activating the first valve device by the control device of the fuel cell system, a type of pulsation of the gas flow is generated. This increases the effectiveness and speed at which the nitrogen replaces the hydrogen. It therefore increases the efficiency of inerting the fuel cell system.

Im Normalbetrieb fördert die Gasfördereinrichtung Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die Stickstoffzuführleitung, die erste Ventileinrichtung und der Drucksensor, insbesondere ein Stickstoffdrucksensor, im Normalbetrieb von Wasserstoff durchströmt werden. Demnach ist dann die Stickstoffzuführleitung die Wasserstoffzuführleitung und die erste Ventileinrichtung das Wasserstoffdosierventil.During normal operation, the gas delivery device delivers hydrogen into the fuel cell system. It can be advantageous here if hydrogen flows through the nitrogen supply line, the first valve device and the pressure sensor, in particular a nitrogen pressure sensor, during normal operation. Accordingly, the nitrogen supply line is then the hydrogen supply line and the first valve device is the hydrogen metering valve.

Im Rahmen der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass eine dritte Ventileinrichtung zum Abführen von Anodengas aus einem ersten Wasserabscheider der Gasfördereinrichtung des Anodenkreislaufs in eine Abgasleitung des Kathodenkreislaufs vorgesehen ist.Within the scope of the invention, it can be advantageous that a third valve device is provided for discharging anode gas from a first water separator of the gas delivery device of the anode circuit into an exhaust gas line of the cathode circuit.

Das Anodengas, welches über die dritte Ventileinrichtung abgeführt werden kann, kann dabei der Abführung des Wasserstoffs dienen. Ferner ist es denkbar, das abgeführte Anodengas auszuwerten, um festzustellen, wie viel Stickstoff bereits im Brennstoffzellensystem ist. Dadurch lässt sich die Wirksamkeit des Spülens darstellen, womit wiederum die Sicherheit bei einem Wartungsvorgang erhöht wird.The anode gas, which can be removed via the third valve device, can serve to remove the hydrogen. It is also conceivable to evaluate the discharged anode gas to determine how much nitrogen is already in the fuel cell system. This allows the effectiveness of flushing to be demonstrated, which in turn increases safety during maintenance operations.

Denkbar ist ferner, dass die dritte Ventileinrichtung dem Entlüftungsventil des Wasserstoff-durchströmten Brennstoffzellensystems entspricht. Diese Doppelnutzung der Ventileinrichtung gewährleistet einen einfachen und günstigen Aufbau des Brennstoffzellensystems. Ferner werden dadurch mögliche undichte Stellen im Brennstoffzellensystem reduziert.It is also conceivable that the third valve device corresponds to the vent valve of the fuel cell system through which hydrogen flows. This dual use of the valve device ensures a simple and inexpensive structure of the fuel cell system. Furthermore, this reduces possible leaks in the fuel cell system.

Weiterhin ist es denkbar, dass ein zweiter Wasserabscheider vorgesehen ist. Dieser scheidet dann zunächst einen ersten Teil des Wassers ab und gibt das restliche Anodengas an die Gasfördereinrichtung bzw. den ersten Wasserabscheider der Gasfördereinrichtung ab. Dabei ist die dritte Ventileinrichtung dem zweiten Wasserabscheider zugeordnet. Und es ist eine weitere Ventileinrichtung denkbar, die das Wasser in die Abgasleitung des Kathodenkreislaufs abführt.Furthermore, it is conceivable that a second water separator is provided. This then first separates a first part of the water and releases the remaining anode gas to the gas delivery device or the first water separator of the gas delivery device. The third valve device is assigned to the second water separator. And another valve device is conceivable, which drains the water into the exhaust line of the cathode circuit.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass ein Wasserstoffsensor in der Abgasleitung des Kathodenkreislaufs vorgesehen ist.Within the scope of the invention, it is conceivable that a hydrogen sensor is provided in the exhaust line of the cathode circuit.

Mittels des Wasserstoffsensors lässt sich der Gehalt von Wasserstoff im abgeschiedenen Anodengas ermitteln. Dabei zeigt ein geringer oder ein sinkender Gehalt von Wasserstoff im Anodengas, dass das Brennstoffzellensystem inertisiert wird bzw. inertisiert ist. Dadurch lässt sich die Sicherheit für die Wartung optimierter feststellen. Gleichzeitig lässt sich die Dauer des Inertisierungsvorgangs feststellen.The hydrogen sensor can be used to determine the hydrogen content in the separated anode gas. A low or decreasing hydrogen content in the anode gas shows that the fuel cell system is becoming inerted or is inerted. This allows security to be determined in a more optimized way for maintenance. At the same time, the duration of the inerting process can be determined.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Spülverfahren zum Inertisieren eines oben beschriebenen Brennstoffzellensystems mit Stickstoff umfassend die folgenden Schritte:

  • - Wechseln einer Gasquelle des Anodenkreislaufes des Brennstoffzellenstapels von Wasserstoff zu Stickstoff,
  • - Inbetriebnahme der Gasfördereinrichtung, insbesondere eines Strömungsverdichters, zum Fördern von Stickstoff im Anodenkreislauf,
  • - Inbetriebnahme des Kathodenkreislaufs zum Erzeugen der Verdünnungsluft im Abgas,
  • - Öffnen der ersten Ventileinrichtung in der Stickstoffzuführleitung des Anodenkreislaufes,
  • - Einstellen des Zieldrucks mittels der ersten Ventileinrichtung der Stickstoffzuführleitung an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels,
  • - Öffnen der zweiten Ventileinrichtung der Wasserabführleitung des Anodenkreislaufs zum Abführen des abgeschiedenen Wassers des ersten Wasserabscheiders der Gasfördereinrichtung in die Abgasleitung des Kathodenkreislaufs,
  • - Zyklisches Wechseln des Zieldruckes, wobei der Zieldruck zwischen dem maximalen Zieldruck und dem Umgebungsdruck gewechselt wird, und/oder zyklisches An- und Ausschalten der Gasfördereinrichtung.
A second aspect of the invention is a purging method for inerting a fuel cell system described above with nitrogen, comprising the following steps:
  • - changing a gas source of the anode circuit of the fuel cell stack from hydrogen to nitrogen,
  • - Commissioning of the gas conveying device, in particular a flow compressor, for conveying nitrogen in the anode circuit,
  • - Commissioning of the cathode circuit to generate the dilution air in the exhaust gas,
  • - Opening the first valve device in the nitrogen supply line of the anode circuit,
  • - Setting the target pressure by means of the first valve device of the nitrogen supply line on the anode side of the fuel cell stack,
  • - opening the second valve device of the water discharge line of the anode circuit to discharge the separated water of the first water separator of the gas conveying device into the exhaust gas line of the cathode circuit,
  • - Cyclically changing the target pressure, whereby the target pressure is changed between the maximum target pressure and the ambient pressure, and/or cyclically switching the gas delivery device on and off.

Der Brennstoffzellenstapel weist hier eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, die mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems inertisiert werden können.The fuel cell stack here has a large number of fuel cells that can be inerted using the fuel cell system according to the invention.

Vor einer Wartung müssen alle Leitungen und Komponenten, die sich mit Wasserstoff in Kontakt befinden, gespült und durch Stickstoff ersetzt werden, das heißt, das Brennstoffzellensystem muss inertisiert werden. Dies ist erforderlich, damit beispielsweise beim Zerlegen des Brennstoffzellensystems wenig Wasserstoff in Kontakt mit der Umgebungsluft kommt, um so die Brenn- oder Explosionsgefahr zu reduzieren. Durch die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels wird neben der Vermeidung von Brenn-und Explosionsgefahr auch dessen potenziell gefährliche elektrische Spannung abgebaut.Before maintenance, all lines and components that come into contact with hydrogen must be flushed and replaced with nitrogen, which means the fuel cell system must be inerted. This is necessary so that, for example, when dismantling the fuel cell system, little hydrogen comes into contact with the ambient air in order to reduce the risk of combustion or explosion. In addition to avoiding the risk of combustion and explosion, the inerting of the fuel cell stack also reduces its potentially dangerous electrical voltage.

Durch das Inertisieren wird somit die Sicherheit für die Durchführung einer Wartung eines Brennstoffzellensystems hergestellt und maßgeblich erhöht.By inerting, the safety of carrying out maintenance on a fuel cell system is created and significantly increased.

Durch das zyklische Wechseln, zwischen einem Umgebungsdruck und dem maximalen Zieldruck durch das Ansteuern der ersten Ventileinrichtung durch die Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems, wird eine Art Pulsieren der Gasströmungen erzeugt. Dies erhöht die Wirksamkeit und die Geschwindigkeit mit der der Stickstoff den Wasserstoff ersetzt. Es steigert somit die Effizienz des Inertisierens des Brennstoffzellensystems.By cyclically changing between an ambient pressure and the maximum target pressure by activating the first valve device by the control device of the fuel cell system, a type of pulsation of the gas flows is generated. This increases the effectiveness and speed at which the nitrogen replaces the hydrogen. It therefore increases the efficiency of inerting the fuel cell system.

Im Normalbetrieb fördert die Gasfördereinrichtung Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die Stickstoffzuführleitung, die erste Ventileinrichtung und der Drucksensor, insbesondere ein Stickstoffdrucksensor, im Normalbetrieb von Wasserstoff durchströmt werden. Demnach ist dann die Stickstoffzuführleitung die Wasserstoffzuführleitung und die erste Ventileinrichtung das Wasserstoffdosierventil.During normal operation, the gas delivery device delivers hydrogen into the fuel cell system. It can be advantageous here if hydrogen flows through the nitrogen supply line, the first valve device and the pressure sensor, in particular a nitrogen pressure sensor, during normal operation. Accordingly, the nitrogen supply line is then the hydrogen supply line and the first valve device is the hydrogen metering valve.

Der erste Wasserabscheider ist hier als ein Teil der Gasfördereinrichtung zu sehen. Mittels diesem wird dem Anodengas sowohl im Normalbetrieb als auch im Spülvorgang, soweit möglich, Wasser entzogen. Dabei wird das Wasser über die zweite Ventileinrichtung in die Abgasleitung des Kathodenkreislaufs abgeführt.The first water separator can be seen here as part of the gas conveying device. This is used to remove water from the anode gas, as far as possible, both during normal operation and during the flushing process. The water is discharged into the exhaust line of the cathode circuit via the second valve device.

Der Stickstoff kann dabei aus einer Leitung oder einer Druckgasflasche bereitgestellt werden. Wird er über eine Druckgasflasche bereitgestellt, wird die Inbetriebnahme der Gasfördereinrichtung zum Fördern von Stickstoff im Anodenkreislauf obsolet.The nitrogen can be provided from a line or a compressed gas bottle. If it is provided via a compressed gas bottle, the commissioning of the gas delivery device for delivering nitrogen in the anode circuit becomes obsolete.

Bevor Anodengas, welches potentiell viel Wasserstoff enthalten kann, in das Kathodenabgas geleitet wird, muss auch das Kathodensystem gestartet werden, in dem die entsprechende Gasfördereinrichtung gestartet wird. Dadurch wird Verdünnungsluft im Abgas bereitgestellt.Before anode gas, which can potentially contain a lot of hydrogen, is passed into the cathode exhaust gas, the cathode system must also be started by starting the corresponding gas delivery device. This provides dilution air in the exhaust gas.

Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das zyklische Wechseln in einer Wechselfrequenz durchgeführt wird, wobei die Wechselfrequenz 0,5 bis 10 Hz, vorzugsweise 2 bis 8 Hz, weiter vorzugsweise 3 bis 7 Hz, ist.Within the scope of the invention it can be provided that the cyclic changing is carried out at an alternating frequency, the alternating frequency being 0.5 to 10 Hz, preferably 2 to 8 Hz, more preferably 3 to 7 Hz.

Durch die Wechselfrequenz kann auf einfache Art und Weise Einfluss auf den Zyklus des Spülvorgangs genommen werden. Die Wechselfrequenz hat somit direkt Einfluss auf die Wirksamkeit und Geschwindigkeit des Spülvorgangs bzw. der Inertisierung des Brennstoffzellensystems. Je höher die Frequenz, desto schneller der Zykluswechsel und umso wirksamer ist der Spülvorgang. Ferner kann die Wechselfrequenz dynamisch sein, um so auf Veränderungen im Brennstoffzellensystem eingehen zu können. Dabei kann die Wechselfrequenz beispielsweise in Abhängigkeit von dem Gehalt des Stickstoffs im Brennstoffzellensystem angepasst werden.The alternating frequency allows you to easily influence the cycle of the rinsing process. The alternating frequency therefore has a direct influence on the effectiveness and speed of the flushing process or the inerting of the fuel cell system. The higher the frequency, the faster the cycle change and the more effective the flushing process. Furthermore, the change frequency can be dynamic in order to be able to respond to changes in the fuel cell system. The alternating frequency can be adjusted, for example, depending on the nitrogen content in the fuel cell system.

Es ist weiterhin denkbar, dass ein zyklisches Wechseln zwischen verschiedenen Betriebszuständen der Gasfördereinrichtung durchgeführt wird.It is also conceivable that a cyclical change between different operating states of the gas delivery device is carried out.

Hierfür weist die Gasfördereinrichtung unterschiedliche Leistungsstufen auf, zwischen denen gewechselt werden kann. Ein zyklischer Wechsel der Betriebszustände der Gasfördereinrichtung kann dabei auch das zyklische Ein- und Ausschalten der Gasfördereinrichtung sein.For this purpose, the gas delivery device has different power levels, between which you can switch. A cyclical change in the operating states of the gas delivery device can also be the cyclical switching on and off of the gas delivery device.

Durch das Wechseln der Betriebszustände, also der Leistungsstufen der Gasfördereinrichtung, kann auf einfache Art und Weise Einfluss auf den Zyklus des Spülvorgangs genommen werden. Die Wechselfrequenz hat somit direkt Einfluss auf die Wirksamkeit und Geschwindigkeit des Spülvorgangs bzw. der Inertisierung des Brennstoffzellensystems. Je höher die Frequenz, desto schneller der Zykluswechsel und umso wirksamer ist der Spülvorgang. Ferner kann die Wechselfrequenz dynamisch sein, um so auf Veränderungen im Brennstoffzellensystem eingehen zu können. Dabei kann die Wechselfrequenz beispielsweise in Abhängigkeit von dem Gehalt des Stickstoffs im Brennstoffzellensystem angepasst werden.By changing the operating states, i.e. the power levels of the gas delivery device, the cycle of the flushing process can be easily influenced. The alternating frequency therefore has a direct influence on the effectiveness and speed of the flushing process or the inerting of the fuel cell system. The higher the frequency, the faster the cycle change and the more effective the flushing process. Furthermore, the change frequency can be dynamic in order to be able to respond to changes in the fuel cell system. The alternating frequency can be adjusted, for example, depending on the nitrogen content in the fuel cell system.

Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass der maximale Zieldruck relativ zum Umgebungsdruck eingestellt wird, wobei der Zieldruck auf 0,3 bis 5 bar, vorzugsweise 1 bis 4 bar, weiter vorzugsweise 1,5 bis 3 bar, relativ zum Umgebungsdruck eingestellt wird und/oder relativ zum Kathodendruck eingestellt wird, wobei der Zieldruck (pZiel) maximal um 1 bar von dem Kathodendruck abweicht.It is conceivable according to the invention that the maximum target pressure is set relative to the ambient pressure, with the target pressure being set to 0.3 to 5 bar, preferably 1 to 4 bar, more preferably 1.5 to 3 bar, relative to the ambient pressure and/or relative is set to the cathode pressure, whereby the target pressure (ptarget) deviates from the cathode pressure by a maximum of 1 bar.

Dabei kann der relative Druck zwischen Anode und Kathode eine Limitierung sein. Der relative Druck ist auf 0,8 bis 1,2 bar für eine Dauer von 10 s limitiert. Es wäre somit denkbar, dass beim Inertisierungsvorgang der Druck im Kathodensubsystem aufgebaut wird, sodass der Druck in der Anode absolut gesteigert werden kann.The relative pressure between the anode and cathode can be a limitation. The relative pressure is limited to 0.8 to 1.2 bar for a period of 10 s. It would therefore be conceivable that the pressure in the cathode subsystem is built up during the inerting process, so that the pressure in the anode can be increased absolutely.

Der Zieldruck kann dabei abhängig vom jeweiligen Brennstoffzellensystem, des Stickstoffgehalts im Brennstoffzellensystem oder der Wechselfrequenz sein. Demnach ist es denkbar, dass sich der Zieldruck dynamisch anpassen lässt und während des Spülvorgangs geändert werden kann.The target pressure can depend on the respective fuel cell system, the nitrogen content in the fuel cell system or the change frequency. It is therefore conceivable that the target pressure can be dynamically adjusted and changed during the flushing process.

Auch ist es denkbar, dass die dritte Ventileinrichtung der Wasserabführleitung des Anodenkreislaufs zum Abführen des Anodengases des ersten Wasserabscheiders der Gasfördereinrichtung in die Abgasleitung des Kathodenkreislaufs geöffnet wird.It is also conceivable that the third valve device of the water discharge line of the anode circuit is opened to remove the anode gas of the first water separator of the gas delivery device into the exhaust gas line of the cathode circuit.

Das Anodengas, welches über die dritte Ventileinrichtung abgeführt werden kann, kann dabei der Abführung des Wasserstoffs dienen. Ferner ist es denkbar, das abgeführte Anodengas auszuwerten, um festzustellen, wie viel Stickstoff bereits im Brennstoffzellensystem ist, respektive wie viel Wasserstoff noch im Brennstoffzellensystem ist. Dadurch lässt sich die Wirksamkeit des Spülens darstellen, womit wiederum die Sicherheit bei einem Wartungsvorgang erhöht wird.The anode gas, which can be removed via the third valve device, can serve to remove the hydrogen. Furthermore, it is conceivable to evaluate the discharged anode gas in order to determine how much nitrogen is already in the fuel cell system or how much hydrogen is still in the fuel cell system. This allows the effectiveness of flushing to be demonstrated, which in turn increases safety during maintenance operations.

Denkbar ist ferner, dass die dritte Ventileinrichtung dem Entlüftungsventil des Wasserstoff-durchströmten Brennstoffzellensystems entspricht. Diese Doppelnutzung der Ventileinrichtung gewährleistet einen einfachen und günstigen Aufbau des Brennstoffzellensystems. Ferner werden dadurch mögliche undichte Stellen im Brennstoffzellensystem reduziert.It is also conceivable that the third valve device corresponds to the vent valve of the fuel cell system through which hydrogen flows. This dual use of the valve device ensures a simple and inexpensive structure of the fuel cell system. Furthermore, this reduces possible leaks in the fuel cell system.

Im Rahmen der Erfindung ist es optional möglich, dass durch den Wasserstoffsensor in der Abgasleitung des Kathodenkreislaufs der Wasserstoffgehalt des Brennstoffzellensystems gemessen wird. Der Wasserstoffgehalt wird dabei kontinuierlich oder zyklisch gemessen.Within the scope of the invention, it is optionally possible for the hydrogen content of the fuel cell system to be measured by the hydrogen sensor in the exhaust line of the cathode circuit. The hydrogen content is measured continuously or cyclically.

Mittels des Wasserstoffsensors lässt sich der Gehalt von Wasserstoff im abgeschiedenen Anodengas ermitteln. Dabei zeigt ein geringer oder ein sinkender Gehalt von Wasserstoff im Anodengas, dass das Brennstoffzellensystem inertisiert wird bzw. inertisiert ist. Dadurch lässt sich die Sicherheit für die Wartung optimierter feststellen. Gleichzeitig lässt sich die Dauer des Inertisierungsvorgangs feststellen.The hydrogen sensor can be used to determine the hydrogen content in the separated anode gas. A low or decreasing hydrogen content in the anode gas shows that the fuel cell system is becoming inerted or is inerted. This allows security to be determined in a more optimized way for maintenance. At the same time, the duration of the inerting process can be determined.

Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Spülvorgang bis zu einem Wasserstoffgehalt von 0,05 bis 0,5 Vol % in Abhängigkeit des Verdünnungsluftmassenstroms im Abgas der Abgasleitung durchgeführt wird.Furthermore, it can be provided within the scope of the invention that the purging process is carried out up to a hydrogen content of 0.05 to 0.5 vol% depending on the dilution air mass flow in the exhaust gas of the exhaust pipe.

Die Korrelation der Abgaskonzentration zur Anodengaskonzentration hängt stark von dem Verdünnungsluftmassenstrom der Kathode ab. Dabei ist es ein Ziel beim gemessenen Wasserstoffgehalt im Abgas auf einen Zielwert von kleiner 4% im Anodensystem schließen zu können.The correlation of the exhaust gas concentration to the anode gas concentration depends heavily on the dilution air mass flow of the cathode. One goal is to be able to draw conclusions about a target value of less than 4% in the anode system based on the measured hydrogen content in the exhaust gas.

Dieser Gehalt kann sicherstellen, dass das Brennstoffzellensystem inert ist, also, dass der Wasserstoff durch den Stickstoff ersetzt wurde. Dabei gilt, je geringer der Wasserstoffgehalt ist, desto wirksamer ist der Spülvorgang. Durch einen Wasserstoffgehalt in der Luft kleiner 4 Vol% wird die untere Zündgrenze nicht erreicht.This content can ensure that the fuel cell system is inert, i.e. that the hydrogen has been replaced by nitrogen. The lower the hydrogen content, the more effective the flushing process is. If the hydrogen content in the air is less than 4% by volume, the lower ignition limit is not reached.

In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist es vorstellbar, dass eine Zellspannung des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, wobei der Spülvorgang bis zu einer Zellstapelspannung kleiner als 60V, vorzugsweise kleiner als 45V, weiter vorzugsweise kleiner als 30V, des Brennstoffzellensystems gemessen wird.With regard to the present invention, it is conceivable that a cell voltage of the fuel cell stack is measured, with the flushing process being measured up to a cell stack voltage of less than 60V, preferably less than 45V, more preferably less than 30V, of the fuel cell system.

Hierfür sind Spannungsmessgeräte im Brennstoffzellensystem vorgesehen. Es ist denkbar, dass die Steuereinheit auf diese Spannungsmessgeräte zugreifen kann, um einerseits die Zellspannung anzuzeigen oder auch die Wechselfrequenz oder den Zieldruck anzupassen.Voltage measuring devices in the fuel cell system are intended for this purpose. It is conceivable that the control unit can access these voltage measuring devices in order to display the cell voltage or to adjust the alternating frequency or the target pressure.

Mittels der Zellspannung kann die Wirksamkeit des Spülverfahrens auf einfache Art und Weise bestimmt und/oder angezeigt werden. Dies erhöht die Sicherheit für die Wartung des Brennstoffzellensystems, da eine geringe Spannung darauf hinweist, dass Stickstoff im Brennstoffzellensystem ist bzw. dass der Gehalt des Wasserstoffs im Brennstoffzellensystem so gering ist, dass keine Brenn- und Explosionsgefahr besteht.The effectiveness of the rinsing process can be determined and/or displayed in a simple manner using the cell voltage. This increases safety for the maintenance of the fuel cell system, as a low voltage indicates that there is nitrogen in the fuel cell system or that the hydrogen content in the fuel cell system is so low that there is no risk of combustion or explosion.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist die Erfindung in den folgenden Figuren gezeigt:

  • 1 schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Wasserabscheider,
  • 2 schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Wasserabscheidern,
  • 3 schematische Darstellung des Spülverfahrens zum Inertisieren eines Brennstoffzellensystems.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which several exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination. The invention is shown in the following figures:
  • 1 schematic representation of a fuel cell system with a water separator,
  • 2 schematic representation of a fuel cell system with two water separators,
  • 3 Schematic representation of the flushing process for inerting a fuel cell system.

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anodenseite 3, die einen Anodenkreislauf 4 aufweist, und einer Kathodenseite 5, die einen Kathodenkreislauf 6 aufweist. Ferner wird ein Stickstofftank 7 gezeigt. Dabei dient der Stickstofftank 7 dazu, den Stickstoff zum Inertisieren des Brennstoffzellensystems 1 zur Verfügung zu stellen. Hierfür ist weiter eine Stickstoffzuführleitung 8 mit einer ersten Ventileinrichtung 9 zum Einstellen der Zuführung des Stickstoffs aus dem Stickstofftank 7 zu der Anodenseite 3, und ein Drucksensor 10, insbesondere Stickstoffdrucksensor, zum Einstellen eines Zieldrucks pZiel in der Anodenseite 3 vorgesehen. Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Steuervorrichtung 11 auf, die dazu eingerichtet ist, die erste Ventileinrichtung 9 so zu steuern, dass zyklisch zwischen einem Umgebungsdruck pamb und dem maximalen Zieldruck pZiel gewechselt werden kann. 1 shows a fuel cell system 1, having a fuel cell stack 2 with an anode side 3, which has an anode circuit 4, and a cathode side 5, which has a cathode circuit 6. Furthermore, a nitrogen tank 7 is shown. The nitrogen tank 7 serves to provide the nitrogen for inerting the fuel cell system 1. For this purpose, a nitrogen supply line 8 with a first valve device 9 for adjusting the supply of nitrogen from the nitrogen tank 7 to the anode side 3, and a pressure sensor 10, in particular nitrogen pressure sensor, for adjusting a target pressure p target in the anode side 3 are also provided. Furthermore, the fuel cell system 1 has a control device 11, which is set up to control the first valve device 9 so that a change can be made cyclically between an ambient pressure p amb and the maximum target pressure p target .

Für die aktive Förderung des Stickstoffs von dem Stickstofftank 7, kommend über die erste Ventileinrichtung 9, zu der Anodenseite 3 des Brennstoffzellenstapels 2, ist eine Gasfördereinrichtung 12 vorgesehen. Ferner sieht der Anodenkreislauf 4 eine Wasserabführleitung 13 mit einer zweiten Ventileinrichtung 14 vor. Diese dient dazu, dass abgeschiedene Wasser aus einem ersten Wasserabscheider 15 der Gasfördereinrichtung 12 des Anodenkreislaufs 4 in eine Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 abzuführen.A gas delivery device 12 is provided for the active delivery of nitrogen from the nitrogen tank 7, coming via the first valve device 9, to the anode side 3 of the fuel cell stack 2. Furthermore, the anode circuit 4 provides a water discharge line 13 with a second valve device 14. This serves to discharge separated water from a first water separator 15 of the gas conveying device 12 of the anode circuit 4 into an exhaust gas line 16 of the cathode circuit 6.

Der erste Wasserabscheider 15 scheidet das Wasser vom Gasgemisch der Anodenseite 3 ab. Ein Teil des Gases wird über eine dritte Ventileinrichtung 18 der Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 zugeführt und somit abgeführt.The first water separator 15 separates the water from the gas mixture on the anode side 3. Part of the gas is supplied to the exhaust line 16 of the cathode circuit 6 via a third valve device 18 and is thus removed.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist einen zusätzlichen zweiten Wasserabscheider 17 und eine zusätzliche vierte Ventileinrichtung 19 auf. Dieser scheidet dann zunächst einen ersten Teil des Wassers des Anodenkreislaufes 4 nach der Anode ab und gibt das restliche Anodengas an die Gasfördereinrichtung 12 bzw. den ersten Wasserabscheider 15 der Gasfördereinrichtung 12 ab. Dabei ist die dritte Ventileinrichtung 18 und die vierte Ventileinrichtung 19 dem zweiten Wasserabscheider 17 zugeordnet. Und die vierte Ventileinrichtung 19 führt das Wasser in die Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 ab.The exemplary embodiment according to 2 has an additional second water separator 17 and an additional fourth valve device 19. This then first separates a first part of the water of the anode circuit 4 after the anode and releases the remaining anode gas to the gas conveying device 12 or the first water separator 15 of the gas conveying device 12. The third valve device 18 and the fourth valve device 19 are assigned to the second water separator 17. And the fourth valve device 19 leads the water into the exhaust line 16 of the cathode circuit 6.

Die Brennstoffzellensysteme 1 der 1 und 2 sehen einen Wasserstoffsensor 20 in der Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 vor, um den Wasserstoffgehalt im Abgas zu messen. Dies gibt Aufschluss über den Stand der Inertisierung. Des Weiteren sind Spannungsmessgeräte 21 vorgesehen, da auch die Zellspannung den Fortschritt zeigt. Dabei gilt je geringer die Zellspannung, desto sicherer ist es die Wartung durchzuführen.The fuel cell systems 1 of 1 and 2 provide a hydrogen sensor 20 in the exhaust line 16 of the cathode circuit 6 to measure the hydrogen content in the exhaust gas. This provides information about the status of inerting. Furthermore, voltage measuring devices 21 are provided, since the cell voltage also shows progress. The lower the cell voltage, the safer it is to carry out maintenance.

3 zeigt das Spülverfahren 100 zum Inertisieren eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 oder 2, umfassend die folgenden Schritte:

  • - Wechseln 110 einer Gasquelle des Anodenkreislaufes 4 des Brennstoffzellenstapels 2 von Wasserstoff zu Stickstoff,
  • - Inbetriebnahme 120 der Gasfördereinrichtung 12, insbesondere eines Strömungsverdichters, zum Fördern von Stickstoff in den Anodenkreislauf 4,
  • - Inbetriebnahme 220 des Kathodenkreislaufs 6 zum Erzeugen der Verdünnungsluft im Abgas,
  • - Öffnen 130 der ersten Ventileinrichtung 9 in der Stickstoffzuführleitung 8 des Anodenkreislaufes 4,
  • - Einstellen 140 des Zieldrucks mittels der ersten Ventileinrichtung 9 der Stickstoffzuführleitung 8 an der Anodenseite 3 des Brennstoffzellenstapels 2,
  • - Öffnen 150 der zweiten Ventileinrichtung 14 der Wasserabführleitung 13 des Anodenkreislaufs 4 zum Abführen des abgeschiedenen Wassers des ersten Wasserabscheiders der Gasfördereinrichtung 12 in die Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6,
  • - Zyklisches Wechseln 160 des Zieldruckes pZiel, wobei der Zieldruck pZiel zwischen dem maximalen Zieldruck pZiel und dem Umgebungsdruck pamb gewechselt wird,
  • - Zyklisches Öffnen und Schließen 210 der zweiten Ventileinrichtung.
3 shows the flushing method 100 for inerting a fuel cell system 1 according to 1 or 2 , comprising the following steps:
  • - changing 110 a gas source of the anode circuit 4 of the fuel cell stack 2 from hydrogen to nitrogen,
  • - Commissioning 120 of the gas conveying device 12, in particular a flow compressor, for conveying nitrogen into the anode circuit 4,
  • - Commissioning 220 of the cathode circuit 6 to generate the dilution air in the exhaust gas,
  • - Opening 130 of the first valve device 9 in the nitrogen supply line 8 of the anode circuit 4,
  • - Setting 140 of the target pressure by means of the first valve device 9 of the nitrogen supply line 8 on the anode side 3 of the fuel cell stack 2,
  • - Opening 150 of the second valve device 14 of the water discharge line 13 of the anode circuit 4 to remove the separated water of the first water separator of the gas conveying device 12 into the exhaust line 16 of the cathode circuit 6,
  • - Cyclic changing 160 of the target pressure p target , whereby the target pressure p target is changed between the maximum target pressure p target and the ambient pressure p amb ,
  • - Cyclic opening and closing 210 of the second valve device.

Dabei wird das zyklische Wechseln in einer Wechselfrequenz zwischen 0,5 bis 10 Hz durchgeführt. Zusätzlich wird der Betrieb der Gasfördereinrichtung 12 zyklisch gewechselt. Dabei kann die Gasfördereinrichtung 12 zwischen diversen Betriebszuständen bzw. Leistungsstufen gewechselt werden oder gar aus- bzw. eingeschalten werden.The cyclic changing is carried out at an alternating frequency between 0.5 and 10 Hz. In addition, the operation of the gas delivery device 12 is changed cyclically. The gas delivery device 12 can be changed between various operating states or power levels or even switched off or on.

Bei dem maximalen Zieldruck pZiel handelt es sich im einen Relativdruck, das heißt, er wird relativ zum Umgebungsdruck pamb und zum Kathodendruck eingestellt, wobei der Zieldruck auf 0,3 bis 5 bar relativ zum Umgebungsdruck pamb eingestellt wird. Ferner weicht der Zieldruck der Anode vom Kathodendruck um maximal 1 bar ab.The maximum target pressure p target is a relative pressure, that is, it is set relative to the ambient pressure p amb and to the cathode pressure, with the target pressure being set to 0.3 to 5 bar relative to the ambient pressure p amb . Furthermore, the target pressure of the anode differs from the cathode pressure by a maximum of 1 bar.

Gleichzeitig oder anschließend wird die dritte Ventileinrichtung 18 der Wasserabführleitung 13 des Anodenkreislaufs 4 zum Abführen des Anodengases des ersten Wasserabscheiders der Gasfördereinrichtung 12 in die Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 geöffnet 170. Zusätzlich wird die vierte Ventileinrichtung 19 der Wasserabführleitung 13 des Anodenkreislaufs 4 zum Abführen des Wassers in die Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 geöffnet 180.At the same time or subsequently, the third valve device 18 of the water discharge line 13 of the anode circuit 4 is opened 170 for discharging the anode gas of the first water separator of the gas conveying device 12 into the exhaust gas line 16 of the cathode circuit 6. In addition, the fourth valve device 19 of the water discharge line 13 of the anode circuit 4 is opened 170 for discharging the water into the exhaust line 16 of the cathode circuit 6 opened 180.

Ferner wird mittels des Wasserstoffsensors 20 in der Abgasleitung 16 des Kathodenkreislaufs 6 der Wasserstoffgehalt des Brennstoffzellensystems 1 gemessen 190. Der Wasserstoffgehalt wird dabei kontinuierlich gemessen 190. Sobald ein Wasserstoffgehalt von 0,5 Vol % in Abhängigkeit des Verdünnungsluftmassenstroms im Abgas der Abgasleitung 16 gemessen wird, gilt das Brennstoffzellensystem 1 als inert.Furthermore, the hydrogen content of the fuel cell system 1 is measured 190 by means of the hydrogen sensor 20 in the exhaust line 16 of the cathode circuit 6. The hydrogen content is measured continuously 190. As soon as a hydrogen content of 0.5% by volume is measured as a function of the dilution air mass flow in the exhaust gas of the exhaust line 16, the fuel cell system 1 is considered inert.

Des Weiteren wird mittels der Spannungsmessgeräte 21 die Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 2 gemessen 200. Dabei wird der Spülvorgang durchgeführt bis eine Zellstapelspannung kleiner als 60V gemessen wird.Furthermore, the cell voltage of the fuel cell stack 2 is measured 200 using the voltage measuring devices 21. The flushing process is carried out until a cell stack voltage of less than 60V is measured.

Claims (11)

Brennstoffzellensystem (1), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Anodenseite (3), die einen Anodenkreislauf (4) aufweist, und einer Kathodenseite (5), die einen Kathodenkreislauf (6) aufweist, einen Stickstofftank (7), um Stickstoff zum Inertisieren des Brennstoffzellensystems (1) zur Verfügung zu stellen, eine Stickstoffzuführleitung (8) mit einer ersten Ventileinrichtung (9) zum Einstellen der Zuführung des Stickstoffs aus dem Stickstofftank (7) zu der Anodenseite (3) und einen Drucksensor (10), insbesondere Stickstoffdrucksensor, zum Einstellen eines Zieldrucks (pZiel) in der Anodenseite (3), wobei eine Steuervorrichtung (11) des Brennstoffzellensystems (1) dazu eingerichtet ist, die erste Ventileinrichtung (9) so zu steuern, dass zyklisch zwischen einem Umgebungsdruck (pamb) und einem maximalen Zieldruck (pZiel) gewechselt werden kann, eine Gasfördereinrichtung (12), die dazu ausgebildet ist, den Stickstoff von dem Stickstofftank (7) kommend über die erste Ventileinrichtung (9) aktiv zu der Anodenseite (3) des Brennstoffzellenstapels (2) zu fördern, eine Wasserabführleitung (13) mit einer zweiten Ventileinrichtung (14) zum Abführen von abgeschiedenem Wasser aus einem ersten Wasserabscheider (15) der Gasfördereinrichtung (12) des Anodenkreislaufs (4) in eine Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6).Fuel cell system (1), comprising a fuel cell stack (2) with an anode side (3), which has an anode circuit (4), and a cathode side (5), which has a cathode circuit (6), a nitrogen tank (7) for nitrogen Inerting the fuel cell system (1) to provide a nitrogen supply line (8) with a first valve device (9) for adjusting the supply of nitrogen from the nitrogen tank (7) to the anode side (3) and a pressure sensor (10), in particular nitrogen pressure sensor , for setting a target pressure (p target ) in the anode side (3), wherein a control device (11) of the fuel cell system (1) is set up to control the first valve device (9) so that cyclically between an ambient pressure (p amb ) and a maximum target pressure (p target ) can be changed, a gas delivery device (12) which is designed to actively supply the nitrogen coming from the nitrogen tank (7) via the first valve device (9) to the anode side (3) of the fuel cell stack (2 ), a water discharge line (13) with a second valve device (14) for removing separated water from a first water separator (15) of the gas delivery device (12) of the anode circuit (4) into an exhaust line (16) of the cathode circuit (6). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Ventileinrichtung (18) zum Abführen von Anodengas aus einem ersten Wasserabscheider (15) des Anodenkreislaufs (4) in eine Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6) vorgesehen ist.Fuel cell system (1). Claim 1 , characterized in that a third valve device (18) is provided for discharging anode gas from a first water separator (15) of the anode circuit (4) into an exhaust gas line (16) of the cathode circuit (6). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffsensor (20) in der Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6) vorgesehen ist.Fuel cell system (1). Claim 1 or 2 , characterized in that a hydrogen sensor (20) is provided in the exhaust line (16) of the cathode circuit (6). Spülverfahren (100) zum Inertisieren eines Brennstoffzellensystems (1) mit Stickstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend die folgenden Schritte: - Wechseln (110) einer Gasquelle des Anodenkreislaufes (4) des Brennstoffzellenstapels (2) von Wasserstoff zu Stickstoff, - Inbetriebnahme (120) der Gasfördereinrichtung (12), insbesondere eines Strömungsverdichters, zum Fördern von Stickstoff in den Anodenkreislauf (4), - Inbetriebnahme (220) des Kathodenkreislaufs (6) zum Erzeugen der Verdünnungsluft im Abgas, - Öffnen (130) der ersten Ventileinrichtung (9) in der Stickstoffzuführleitung (8) des Anodenkreislaufes (4), - Einstellen (140) des Zieldrucks (pZiel) mittels der ersten Ventileinrichtung (9) der Stickstoffzuführleitung (8) an der Anodenseite (3) des Brennstoffzellenstapels (2), - Öffnen (150) der zweiten Ventileinrichtung (14) der Wasserabführleitung (13) des Anodenkreislaufs (4) zum Abführen des abgeschiedenen Wassers des ersten Wasserabscheiders der Gasfördereinrichtung (12) in die Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6), - Zyklisches Wechseln (160) des Zieldruckes, wobei der Zieldruck (pZiel) zwischen dem maximalen Zieldruck (pZiel) und dem Umgebungsdruck (pamb) gewechselt wird und/oder zyklisches An- und Ausschalten der Gasfördereinrichtung (12).Purging method (100) for inerting a fuel cell system (1) with nitrogen according to one of Claims 1 until 3 comprising the following steps: - changing (110) a gas source of the anode circuit (4) of the fuel cell stack (2) from hydrogen to nitrogen, - starting up (120) the gas conveying device (12), in particular a flow compressor, for conveying nitrogen into the anode circuit ( 4), - commissioning (220) of the cathode circuit (6) to generate the dilution air in the exhaust gas, - opening (130) of the first valve device (9) in the nitrogen supply line (8) of the anode circuit (4), - setting (140) of the target pressure (ptarget) by means of the first valve device (9) of the nitrogen supply line (8) on the anode side (3) of the fuel cell stack (2), - opening (150) of the second valve device (14) of the water discharge line (13) of the anode circuit (4) for discharge of the separated water from the first water separator of the gas conveying device (12) into the exhaust line (16) of the cathode circuit (6), - Cyclic changing (160) of the target pressure, the target pressure (ptarget) being between the maximum target pressure (ptarget) and the ambient pressure (pamb ) is changed and / or cyclic switching on and off of the gas delivery device (12). Spülverfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Wechseln (160) in einer Wechselfrequenz durchgeführt wird, wobei die Wechselfrequenz 0,5 bis 10 Hz, vorzugsweise 2 bis 8 Hz, weiter vorzugsweise 3 bis 7 Hz, ist.Rinse procedure (100). Claim 4 , characterized in that the cyclic changing (160) is carried out at an alternating frequency, the alternating frequency being 0.5 to 10 Hz, preferably 2 to 8 Hz, more preferably 3 to 7 Hz. Spülverfahren (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zyklisches Wechseln (220) zwischen verschiedenen Betriebszuständen der Gasfördereinrichtung durchgeführt wird.Rinse procedure (100). Claim 4 or 5 , characterized in that a cyclical change (220) between different operating states of the gas delivery device is carried out. Spülverfahren (100) nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Zieldruck (pZiel) relativ zum Umgebungsdruck (pamb) eingestellt wird, wobei der Zieldruck (pZiel) auf 0,3 bis 5 bar, vorzugsweise 1 bis 4 bar, weiter vorzugsweise 1,5 bis 3 bar, relativ zum Umgebungsdruck (pamb) eingestellt wird und/oder relativ zum Kathodendruck eingestellt wird, wobei der Zieldruck (pZiel) maximal um 1 bar von dem Kathodendruck abweicht.Rinse procedure (100). Claim 4 until 6 , characterized in that the maximum target pressure (ptarget) is set relative to the ambient pressure (pamb), the target pressure (ptarget) being set to 0.3 to 5 bar, preferably 1 to 4 bar, more preferably 1.5 to 3 bar, relative is set to the ambient pressure (pamb) and/or is set relative to the cathode pressure, whereby the target pressure (ptarget) deviates from the cathode pressure by a maximum of 1 bar. Spülverfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ventileinrichtung (18) der Wasserabführleitung (13) des Anodenkreislaufs (4) zum Abführen des Anodengases des ersten Wasserabscheiders der Gasfördereinrichtung (12) in die Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6) geöffnet (170) wird.Rinsing method (100) according to one of Claims 4 until 7 , characterized in that the third valve device (18) of the water discharge line (13) of the anode circuit (4) is opened (170) for discharging the anode gas of the first water separator of the gas conveying device (12) into the exhaust gas line (16) of the cathode circuit (6). Spülverfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Wasserstoffsensor (20) in der Abgasleitung (16) des Kathodenkreislaufs (6) der Wasserstoffgehalt des Brennstoffzellensystems (1) gemessen (190) wird.Rinsing method (100) according to one of Claims 4 until 8th , characterized in that the hydrogen content of the fuel cell system (1) is measured (190) by the hydrogen sensor (20) in the exhaust line (16) of the cathode circuit (6). Spülverfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülvorgang bis zu einem Wasserstoffgehalt von 0,05 bis 0,5 Vol % in Abhängigkeit des Verdünnungsluftmassenstroms im Abgas der Abgasleitung (16) durchgeführt wird.Rinsing method (100) according to one of Claims 4 until 9 , characterized in that the purging process is carried out up to a hydrogen content of 0.05 to 0.5 vol% depending on the dilution air mass flow in the exhaust gas of the exhaust pipe (16). Spülverfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zellspannung des Brennstoffzellenstapels (2) gemessen wird, wobei der Spülvorgang bis zu einer Zellstapelspannung kleiner als 60V, vorzugsweise kleiner als 45V, weiter vorzugsweise kleiner als 30V, des Brennstoffzellensystems (1) gemessen (200) wird.Rinsing method (100) according to one of Claims 4 until 10 , characterized in that a cell voltage of the fuel cell stack (2) is measured, the flushing process being measured (200) up to a cell stack voltage of less than 60V, preferably less than 45V, more preferably less than 30V, of the fuel cell system (1).
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