DE102022211864A1 - Method for operating a fuel cell system, control unit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (100, 200), die jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei im Startfall die Kathode (210) und die Anode (220) mindestens eines Brennstoffzellenstapels (200) mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels (100) inertisiert werden, die der Kathode (210) über einen Abluftpfad (212) und der Anode (220) über eine die Kathode (210) mit der Anode (220) verbindende Verbindungsleitung (214) mit integriertem Absperrventil (215) zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden nach dem Inertisieren die Anode (220) und die Verbindungsleitung (214) mit Wasserstoff befüllt, so dass das in der Verbindungsleitung (214) vorhandene Inertgas oder inertgashaltige Gasgemisch durch Wasserstoff verdrängt wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (100, 200), each having a cathode (110, 210) and an anode (120, 220), wherein, during start-up, the cathode (210) and the anode (220) of at least one fuel cell stack (200) are inerted with the exhaust air of a further fuel cell stack (100), which is supplied to the cathode (210) via an exhaust air path (212) and to the anode (220) via a connecting line (214) connecting the cathode (210) to the anode (220) with an integrated shut-off valve (215). According to the invention, after inerting, the anode (220) and the connecting line (214) are filled with hydrogen so that the inert gas or gas mixture containing inert gas present in the connecting line (214) is displaced by hydrogen. The invention further relates to a control device for carrying out steps of the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a control device for carrying out steps of the method.

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

Stand der TechnikState of the art

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

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

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

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

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

In früheren Anmeldungen derselben Anmelderin wurde bereits vorgeschlagen, die Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels zum Inertisieren eines weiteren Brennstoffzellenstapels einzusetzen. Ferner wurde vorgeschlagen, die zum Inertisieren der Kathode eingesetzte Abluft anschließend zum Inertisieren der Anode desselben Brennstoffzellenstapels zu nutzen, wobei die aus der Kathode abgeführte Abluft der Anode über eine Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil zugeführt wird. Die Verbindungsleitung schafft jedoch ein Totvolumen zwischen der Kathode und der Anode, das nach dem Inertisieren idealerweise mit Inertgas, aber in der Regel mit einem undefinierten Gasgemisch gefüllt ist. Hierdurch kann es beim Starten des Brennstoffzellensystems zu einer kurzzeitigen Störung des Betriebs der Kathode und/oder der Anode kommen.In earlier applications by the same applicant, it was already proposed to use the exhaust air from a first fuel cell stack to inertize another fuel cell stack. It was also proposed to subsequently use the exhaust air used to inertize the cathode to inertize the anode of the same fuel cell stack, with the exhaust air discharged from the cathode being fed to the anode via a connecting line with an integrated shut-off valve. However, the connecting line creates a dead volume between the cathode and the anode, which is ideally filled with inert gas after inertization, but usually with an undefined gas mixture. This can lead to a brief disruption in the operation of the cathode and/or the anode when the fuel cell system is started.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, derartige Störungen im Startfall nach einem Inertisierungsvorgang zu vermeiden.The present invention is concerned with the task of avoiding such disturbances during start-up after an inerting process.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous embodiments can be found in the subclaims. In addition, a control device for carrying out steps of the method is specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellenstapeln, die jeweils eine Kathode und eine Anode aufweisen. Bei dem Verfahren werden im Startfall die Kathode und die Anode mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels inertisiert, die der Kathode über einen Abluftpfad und der Anode über eine die Kathode mit der Anode verbindende Verbindungsleitung mit integriertem Absperrventil zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden nach dem Inertisieren die Anode und die Verbindungsleitung mit Wasserstoff befüllt, so dass das in der Verbindungsleitung vorhandene Inertgas oder inertgashaltige Gasgemisch durch Wasserstoff verdrängt wird.A method is proposed for operating a fuel cell system with several fuel cell stacks, each of which has a cathode and an anode. In the method, when starting, the cathode and the anode of at least one fuel cell stack are rendered inert with the exhaust air of another fuel cell stack, which is fed to the cathode via an exhaust air path and to the anode via a connecting line connecting the cathode to the anode with an integrated shut-off valve. According to the invention, During inerting, the anode and the connecting line are filled with hydrogen so that the inert gas or gas mixture containing inert gas present in the connecting line is displaced by hydrogen.

Nach der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Verbindungsleitung ausschließlich oder zumindest annähernd ausschließlich mit Wasserstoff befüllt. Das in der Verbindungsleitung vorhandene Gas ist demnach weder Inertgas noch ein unbekanntes Gasgemisch. Das heißt, dass das Brennstoffzellensystem ohne Störungen im Betrieb der Kathode und/oder der Anode gestartet werden kann.After carrying out the proposed method, the connecting line is filled exclusively or at least almost exclusively with hydrogen. The gas present in the connecting line is therefore neither an inert gas nor an unknown gas mixture. This means that the fuel cell system can be started without any disruption to the operation of the cathode and/or the anode.

Idealerweise ist die Verbindungsleitung zwischen der Kathode und der Anode möglichst kurzgehalten, um das Totvolumen zu reduzieren. Je kleiner das Totvolumen ist, desto schneller kann dieses mit Wasserstoff befüllt werden.Ideally, the connecting line between the cathode and the anode is kept as short as possible to reduce the dead volume. The smaller the dead volume, the faster it can be filled with hydrogen.

Das in die Verbindungsleitung integrierte Absperrventil teilt das Totvolumen in ein kathodenseitiges Totvolumen und ein anodenseitiges Totvolumen. Um die gesamte Verbindungsleitung mit Wasserstoff zu befüllen, wird daher vorgeschlagen, dass das in die Verbindungsleitung integrierte Absperrventil geöffnet wird. Dies setzt voraus, dass das Absperrventil zuvor geschlossen worden ist, beispielsweise um zunächst das anodenseitige Totvolumen und in einem nachfolgenden Schritt das kathodenseitige Totvolumen mit Wasserstoff zu befüllen. Je nach Ausgestaltung des Absperrventils kann dabei der Öffnungsquerschnitt des Absperrventils variiert werden. Alternativ oder ergänzend kann das Absperrventil mehrfach abwechselnd geöffnet und wieder geschlossen werden.The shut-off valve integrated into the connecting line divides the dead volume into a cathode-side dead volume and an anode-side dead volume. In order to fill the entire connecting line with hydrogen, it is therefore proposed that the shut-off valve integrated into the connecting line is opened. This requires that the shut-off valve has been closed beforehand, for example to first fill the anode-side dead volume and then the cathode-side dead volume with hydrogen. Depending on the design of the shut-off valve, the opening cross-section of the shut-off valve can be varied. Alternatively or additionally, the shut-off valve can be opened and closed several times in alternation.

Bei geöffnetem Absperrventil gelangt Wasserstoff in die Kathode des inertisierten Brennstoffzellenstapels. Bevorzugt wird über die Verbindungsleitung in die Kathode gelangender Wasserstoff über den Abluftpfad abgeführt, indem ein in den Abluftpfad integriertes Absperrventil geöffnet wird, während ein in einen Zuluftpfad integriertes Absperrventil geschlossen gehalten wird. Das in den Zuluftpfad integrierte geschlossene Absperrventil verhindert, dass der Wasserstoff in den Zuluftpfad gelangt und sich mit der dort vorhandenen Luft mischt. Während des Inertisieren der Kathode und der Anode ist das in den Zuluftpfad integrierte Absperrventil ebenfalls geschlossen, so dass dieses nicht erst geschlossen, sondern lediglich geschlossen gehalten werden muss.When the shut-off valve is open, hydrogen enters the cathode of the inerted fuel cell stack. Hydrogen entering the cathode via the connecting line is preferably discharged via the exhaust air path by opening a shut-off valve integrated into the exhaust air path while keeping a shut-off valve integrated into an air supply path closed. The closed shut-off valve integrated into the air supply path prevents the hydrogen from entering the air supply path and mixing with the air present there. During the inerting of the cathode and the anode, the shut-off valve integrated into the air supply path is also closed, so that it does not first have to be closed, but only kept closed.

Gemäß einer weiteren bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Befüllen der Anode und der Verbindungsleitung mit Wasserstoff der Normalbetrieb des inertisierten Brennstoffzellenstapels aufgenommen. Hierzu werden ein in den Abluftpfad integriertes Absperrventil sowie ein in einen Zuluftpfad integriertes Absperrventil geöffnet. Über den Zuluftpfad wird die Kathode mit Luft versorgt. Die aus der Kathode austretende Abluft wird über den Abluftpfad abgeführt, während sich im Normalbetrieb die Anode mit Wasserstoff füllt. Bleibt das in die Verbindungsleitung integrierte Absperrventil zunächst geschlossen, steigt der Druck am Auslass der Anode und lediglich das anodenseitige Totvolumen der Verbindungsleitung wird mit Wasserstoff befüllt. Mit Öffnen des Absperrventils strömt dann Wasserstoff in die Kathode und von dort in den Abluftpfad.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the normal operation of the inerted fuel cell stack is resumed in order to fill the anode and the connecting line with hydrogen. For this purpose, a shut-off valve integrated into the exhaust air path and a shut-off valve integrated into an air supply path are opened. The cathode is supplied with air via the air supply path. The exhaust air escaping from the cathode is discharged via the exhaust air path, while the anode fills with hydrogen during normal operation. If the shut-off valve integrated into the connecting line initially remains closed, the pressure at the outlet of the anode increases and only the dead volume of the connecting line on the anode side is filled with hydrogen. When the shut-off valve is opened, hydrogen then flows into the cathode and from there into the exhaust air path.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass am Austritt der Anode ein höherer Druck als am Eintritt der Kathode des inertisierten Brennstoffzellenstapels eingestellt wird. Durch diese Maßnahme wird ein Rückströmen von Wasserstoff in den mit Luft gefüllten Zuluftpfad verhindert. Die Einstellung des Drucks am Austritt der Anode kann beispielsweise mit Hilfe eines in einen Anodenkreis integrierten Gebläses bewirkt werden. Das in die Verbindungsleitung integrierte Absperrventil wird vorzugsweise erst geöffnet wird, wenn der Druck am Austritt der Anode größer als der Druck am Eintritt der Kathode ist. Mit Öffnen des Absperrventils füllt sich auch das kathodenseitige Totvolumen der Verbindungsleitung mit Wasserstoff.Alternatively or additionally, it is proposed that a higher pressure is set at the anode outlet than at the cathode inlet of the inertized fuel cell stack. This measure prevents hydrogen from flowing back into the air-filled supply air path. The pressure at the anode outlet can be adjusted, for example, using a fan integrated into an anode circuit. The shut-off valve integrated into the connecting line is preferably only opened when the pressure at the anode outlet is greater than the pressure at the cathode inlet. When the shut-off valve is opened, the dead volume of the connecting line on the cathode side also fills with hydrogen.

Weiterhin vorzugsweise wird das in den Zuluftpfad integrierte Absperrventil geschlossen. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls ein Rückströmen von Wasserstoff in den mit Luft gefüllten Zuluftpfad verhindert werden. Das in den Zuluftpfad integrierte Absperrventil kann dabei mehrfach abwechselnd geschlossen und wieder geöffnet werden, beispielsweise im Wechsel mit dem Öffnen und Schließen des in die Verbindungsleitung integrierten Absperrventils.Furthermore, the shut-off valve integrated into the supply air path is preferably closed. This measure can also prevent hydrogen from flowing back into the air-filled supply air path. The shut-off valve integrated into the supply air path can be alternately closed and opened again several times, for example, alternating with the opening and closing of the shut-off valve integrated into the connecting line.

Nach dem Befüllen der Verbindungsleitung mit Wasserstoff wird das in die Verbindungsleitung integrierte Absperrventil geschlossen. Mit Schließen des Absperrventils kann dann das Brennstoffzellensystem in den Normalbetrieb überführt werden. Während die Anode und das anodenseitige Totvolumen der Verbindungsleitung mit Wasserstoff befüllt bleiben, wird kathodenseitig vorhandener Wasserstoff durch die der Kathode zugeführte Luft verdrängt.After the connecting line has been filled with hydrogen, the shut-off valve integrated into the connecting line is closed. When the shut-off valve is closed, the fuel cell system can then be switched to normal operation. While the anode and the dead volume of the connecting line on the anode side remain filled with hydrogen, any hydrogen present on the cathode side is displaced by the air supplied to the cathode.

Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können insbesondere die verschiedenen Absperrventile geregelt werden. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts die Drehzahl eines in einem Anodenkreis angeordneten Gebläses variiert werden, um den Druck am Auslass der Anode höher als den Druck am Eintritt der Kathode einzustellen.In addition, a control device is proposed which is designed to carry out steps of a method according to the invention. The control device can be used to control the various shut-off valves in particular. Furthermore, the control device can be used to vary the speed of a fan arranged in an anode circuit in order to adjust the pressure at the outlet of the Anode higher than the pressure at the inlet of the cathode.

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

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 ein Ablaufschema eines bevorzugten ersten erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 3 ein Ablaufschema eines bevorzugten zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens.
The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention,
  • 2 a flow chart of a preferred first method according to the invention and
  • 3 a flow chart of a preferred second method according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

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

Im Normalbetrieb werden die Kathoden 110, 210 jeweils über einen Zuluftpfad 111, 211 mit Luft versorgt. Aus den Kathoden 110, 210 austretende Abluft wird jeweils über einen Abluftpfad 112, 212 abgeführt. Die Zuluftpfade 111, 211 und die Abluftpfade 112, 212 sind für den Anschluss an ein gemeinsames Luftsystem 10 abschnittsweise zusammengeführt. Das gemeinsame Luftsystem 10 weist auf der Zuluftseite einen Luftfilter 13, einen Luftverdichter 14, einen Kühler 15 sowie einen Befeuchter 16 auf, so dass diese Komponenten nur einmal vorgesehen werden müssen. Gleiches gilt in Bezug auf eine Turbine 19 sowie einen Druckregler 20, die auf der Abluftseite des gemeinsamen Luftsystems 10 angeordnet sind. Auf diese Weise können der Bauraumbedarf und die Kosten des Brennstoffzellensystems 1 gesenkt werden. Die Zuluftseite und die Abluftseite des gemeinsamen Luftsystems 10 sind über einen Bypasspfad 17 mit integrierten Bypassventil 18 verbindbar. Auch diese werden vorliegend nur einmal benötigt.In normal operation, the cathodes 110, 210 are each supplied with air via an air supply path 111, 211. Exhaust air emerging from the cathodes 110, 210 is each discharged via an exhaust air path 112, 212. The air supply paths 111, 211 and the exhaust air paths 112, 212 are combined in sections for connection to a common air system 10. The common air system 10 has an air filter 13, an air compressor 14, a cooler 15 and a humidifier 16 on the air supply side, so that these components only have to be provided once. The same applies to a turbine 19 and a pressure regulator 20, which are arranged on the exhaust air side of the common air system 10. In this way, the installation space requirement and the costs of the fuel cell system 1 can be reduced. The supply air side and the exhaust air side of the common air system 10 can be connected via a bypass path 17 with an integrated bypass valve 18. These are also only required once in this case.

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

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

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

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

Wie bereits erwähnt sind die Abluftpfade 112, 212 der beiden Brennstoffzellenstapel 100, 200 über den Gasströmungspfad 11 mit integriertem Abluftrückführungsventil 12 verbindbar, so dass im Startfall die Abluft des einen Brennstoffzellenstapels 100, 200 zum Inertisieren des jeweils anderen Brennstoffzellenstapels 200, 100 eingesetzt werden kann. Die Abluft wird dabei über den Abluftpfad 112, 212 zunächst der Kathode 110, 210, dann über einen die Kathode 110, 210 mit der Anode 120, 220 verbindenden Verbindungspfad 114, 214 mit integriertem Absperrventil 115, 215 der Anode 120, 220 des jeweils zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 100, 200 zugeführt. Die Kathode 110, 210 des zu inertisierenden Brennstoffzellenstapels 100, 200 wird dabei in umgekehrter Strömungsrichtung von der Abluft des jeweils anderen Brennstoffzellenstapels 200, 100 durchströmt. Hierzu wird ein im Zuluftpfad 111, 211 angeordnetes Absperrventil 116, 216 geschlossen. Ein im Abluftpfad 112, 212 integriertes Absperrventil 113, 213 wird dagegen geöffnet.As already mentioned, the exhaust air paths 112, 212 of the two fuel cell stacks 100, 200 can be connected via the gas flow path 11 with integrated exhaust air recirculation valve 12, so that when starting up, the exhaust air from one fuel cell stack 100, 200 can be used to inertize the other fuel cell stack 200, 100. The exhaust air is first fed via the exhaust air path 112, 212 to the cathode 110, 210, then via a connecting path 114, 214 with integrated shut-off valve 115, 215 connecting the cathode 110, 210 to the anode 120, 220 of the fuel cell stack 100, 200 to be inertized. The cathode 110, 210 of the fuel cell stack 100, 200 to be rendered inert is flowed through in the opposite flow direction by the exhaust air from the other fuel cell stack 200, 100. For this purpose, a shut-off valve 116, 216 arranged in the supply air path 111, 211 is closed. A shut-off valve 113, 213 integrated in the exhaust air path 112, 212 is opened.

Nach dem Inertisieren ist die Verbindungsleitung 114, 214 des inertisierten Brennstoffzellenstapels 100, 200 mit Abluft bzw. mit einem unbekannten Gasgemisch gefüllt. Dies kann zu Störungen im nachfolgenden Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100, 200 bzw. des gesamten Brennstoffzellensystems 1 führen. Das erfindungsgemäße Verfahren, das nachfolgend anhand der 2 und 3 näher beschrieben wird, hilft derartige Störungen dadurch zu vermeiden, dass vor dem Starten des Brennstoffzellensystems 1 die Verbindungsleitung 114, 214 mit Wasserstoff befüllt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird demnach in einer Endphase eines Inertisierungsvorgangs oder direkt im Anschluss daran durchgeführt.After inerting, the connecting line 114, 214 of the inerted fuel cell stack 100, 200 is filled with exhaust air or with an unknown gas mixture. This can lead to disruptions in the subsequent operation of the fuel cell stack 100, 200 or the entire fuel cell system 1. The method according to the invention, which is described below with reference to the 2 and 3 described in more detail below, helps to avoid such disturbances by filling the connecting line 114, 214 with hydrogen before starting the fuel cell system 1. The method according to the invention is therefore carried out in a final phase of an inerting process or directly after it.

Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in Schritt S1 das erfindungsgemäße Verfahren zur Befüllung einer Verbindungsleitung 214 mit Wasserstoff gestartet. Bei diesem Verfahren ist die Inertisierung des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 mit der Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 nicht ganz abgeschlossen, so dass in Schritt S2 der Kathode 210 und der Anode 220 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 zunächst noch Abluft bzw. Inertgas zugeführt wird. In Schritt S3 wird dann der Anode 220 über den Anodenkreis 221 Wasserstoff aus einem Tank (nicht dargestellt) sowie rezirkulierter Wasserstoff zugeführt, so dass sich die Anode 220 mit Wasserstoff füllt und der Druck am Auslass der Anode 220 steigt. In Schritt S4 wird durch Öffnen und/oder Regeln des in die Abluftleitung 212 integrierten Absperrventils 213 der Kathode 210 weiterhin Abluft zugeführt, so dass der Druck am Eintritt der Kathode 210 niedriger als der Druck am Auslass der Anode 220 ist. In Schritt S5 wird dann das in die Verbindungsleitung 214 integrierte Absperrventil 215 geöffnet und/oder geregelt, so dass sich die gesamte Verbindungsleitung 214 mit Wasserstoff füllt. Über die Verbindungsleitung 214 und den Zuluftpfad 211 gelangt dann der Wasserstoff auch in die Kathode 210 und von dort in den Abluftpfad 212, über den dann der Wasserstoff abgeführt wird (siehe Pfeile in der 1). In Schritt S6 wird dann geprüft, ob die Verbindungsleitung 214 vollständig mit Wasserstoff befüllt ist. Falls ja („+“) kann mit Schritt S7 fortgefahren werden, der das Schließen des in die Verbindungsleitung 214 integrierten Absperrventils 215 vorsieht. In Schritt S8 kann dann auch das in die Abluftleitung 212 integrierte Absperrventil 213 geschlossen werden. In Schritt S9 wird das Verfahren beendet.In the 2 In the exemplary embodiment shown, the method according to the invention for filling a connecting line 214 with hydrogen is started in step S1. In this method, the inerting of the second fuel cell stack 200 with the exhaust air from the first fuel cell stack 100 is not quite complete, so that in step S2 the cathode 210 and the anode 220 of the second fuel cell stack 200 are initially supplied with exhaust air or inert gas. In step S3, hydrogen from a tank (not shown) and recirculated hydrogen are then supplied to the anode 220 via the anode circuit 221, so that the anode 220 fills with hydrogen and the pressure at the outlet of the anode 220 increases. In step S4, exhaust air continues to be supplied to the cathode 210 by opening and/or regulating the shut-off valve 213 integrated in the exhaust air line 212, so that the pressure at the inlet of the cathode 210 is lower than the pressure at the outlet of the anode 220. In step S5, the shut-off valve 215 integrated into the connecting line 214 is then opened and/or regulated so that the entire connecting line 214 is filled with hydrogen. The hydrogen then reaches the cathode 210 via the connecting line 214 and the supply air path 211 and from there into the exhaust air path 212, via which the hydrogen is then discharged (see arrows in the 1 ). In step S6, it is then checked whether the connecting line 214 is completely filled with hydrogen. If so ("+"), the process can continue with step S7, which involves closing the shut-off valve 215 integrated in the connecting line 214. In step S8, the shut-off valve 213 integrated in the exhaust air line 212 can then also be closed. The process is terminated in step S9.

Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in Schritt S10 das erfindungsgemäße Verfahren zur Befüllung einer Verbindungsleitung 214 mit Wasserstoff gestartet. In Schritt S11 wird der Normalbetrieb des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 aufgenommen. Das heißt, dass der Inertisierungsvorgang bereits abgeschlossen ist. Im Normalbetrieb wird die Anode 220 über den Anodenkreis 221 mit Wasserstoff aus dem Tank sowie mit rezirkuliertem Wasserstoff befüllt. In Schritt S12 wird dann über die Drehzahl des in den Anodenkreis 221 integrierten Gebläses 222 der Druck am Auslass der Anode 220 höher als der Druck am Eintritt der Kathode 210 eingestellt. Erst dann wird in Schritt S13 das in die Verbindungsleitung 214 integrierte Absperrventil 215 geöffnet und/oder geregelt, so dass sich die gesamte Verbindungsleitung 214 mit Wasserstoff füllt, der dann über die Verbindungsleitung 214 und den Zuluftpfad 211 in die Kathode 210 gelangt. Durch die zuvor eingestellten Druckverhältnisse wird die Kathode 210 in Hauptströmungsrichtung durchströmt, so dass der Wasserstoff über den Abluftpfad 212 abgeführt werden kann (siehe Pfeile in der 1). In Schritt S14 kann ergänzend das in den Zuluftpfad 211 integrierte Absperrventil 216 geschlossen und/oder geregelt werden, so dass sich der Wasserstoff nicht mit der Luft im Zuluftpfad 211 vermischt. In Schritt S15 wird dann geprüft, ob die Verbindungsleitung 214 vollständig mit Wasserstoff befüllt ist. Falls ja („+“) kann mit Schritt S16 fortgefahren werden, der das Schließen des in die Verbindungsleitung 214 integrierten Absperrventils 215 vorsieht. In Schritt S17 kann dann das in die Abluftleitung 212 integrierte Absperrventil 213 - sofern geschlossen oder teilweise - geöffnet bzw. vollständig geöffnet werden. In Schritt S18 wird das Verfahren beendet.In the 3 In the exemplary embodiment shown, the method according to the invention for filling a connecting line 214 with hydrogen is started in step S10. In step S11, normal operation of the second fuel cell stack 200 is started. This means that the inerting process has already been completed. In normal operation, the anode 220 is filled with hydrogen from the tank and with recirculated hydrogen via the anode circuit 221. In step S12, the pressure at the outlet of the anode 220 is then set higher than the pressure at the inlet of the cathode 210 via the speed of the fan 222 integrated in the anode circuit 221. Only then, in step S13, is the shut-off valve 215 integrated in the connecting line 214 opened and/or regulated so that the entire connecting line 214 is filled with hydrogen, which then reaches the cathode 210 via the connecting line 214 and the supply air path 211. Due to the previously set pressure conditions, the cathode 210 is flowed through in the main flow direction so that the hydrogen can be discharged via the exhaust air path 212 (see arrows in the 1 ). In step S14, the shut-off valve 216 integrated into the supply air path 211 can additionally be closed and/or regulated so that the hydrogen does not mix with the air in the supply air path 211. In step S15, it is then checked whether the connecting line 214 is completely filled with hydrogen. If so ("+"), it is possible to continue with step S16, which provides for the closing of the shut-off valve 215 integrated into the connecting line 214. In step S17, the shut-off valve 213 integrated into the exhaust air line 212 can then be opened - if closed or partially - or fully opened. The method is terminated in step S18.

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (100, 200), die jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei im Startfall die Kathode (210) und die Anode (220) mindestens eines Brennstoffzellenstapels (200) mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels (100) inertisiert werden, die der Kathode (210) über einen Abluftpfad (212) und der Anode (220) über eine die Kathode (210) mit der Anode (220) verbindende Verbindungsleitung (214) mit integriertem Absperrventil (215) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Inertisieren die Anode (220) und die Verbindungsleitung (214) mit Wasserstoff befüllt werden, so dass das in der Verbindungsleitung (214) vorhandene Inertgas oder inertgashaltige Gasgemisch durch Wasserstoff verdrängt wird.Method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (100, 200), each having a cathode (110, 210) and an anode (120, 220), wherein, during start-up, the cathode (210) and the anode (220) of at least one fuel cell stack (200) are inerted with the exhaust air of a further fuel cell stack (100), which is supplied to the cathode (210) via an exhaust air path (212) and to the anode (220) via a connecting line (214) connecting the cathode (210) to the anode (220) with an integrated shut-off valve (215), characterized in that after inerting, the anode (220) and the connecting line (214) are filled with hydrogen, so that the inert gas or gas mixture containing inert gas present in the connecting line (214) is displaced by hydrogen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Verbindungsleitung (214) integrierte Absperrventil (215) geöffnet wird, wobei vorzugsweise der Öffnungsquerschnitt variiert wird und/oder das Absperrventil (215) mehrfach abwechselnd geöffnet und wieder geschlossen wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the shut-off valve (215) integrated in the connecting line (214) is opened, wherein preferably the opening cross-section is varied and/or the shut-off valve (215) is opened and closed again several times alternately. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Verbindungsleitung (214) in die Kathode (210) gelangender Wasserstoff über den Abluftpfad (212) abgeführt wird, indem ein in den Abluftpfad (212) integriertes Absperrventil (213) geöffnet wird, während ein in einen Zuluftpfad (211) integriertes Absperrventil (216) geschlossen gehalten wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that hydrogen reaching the cathode (210) via the connecting line (214) is discharged via the exhaust air path (212) by opening a shut-off valve (213) integrated in the exhaust air path (212) while a shut-off valve (216) integrated in a supply air path (211) is kept closed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befüllen der Anode (220) und der Verbindungsleitung (214) mit Wasserstoff der Normalbetrieb des inertisierten Brennstoffzellenstapels (200) aufgenommen wird, indem ein in den Abluftpfad (212) integriertes Absperrventil (213) und ein in einen Zuluftpfad (211) integriertes Absperrventil (216) geöffnet werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that for filling the anode (220) and the connecting line (214) with hydrogen, the normal operation of the inerted fuel cell stack (200) is resumed by opening a shut-off valve (213) integrated in the exhaust air path (212) and a shut-off valve (216) integrated in an air supply path (211). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Austritt der Anode (220) ein höherer Druck als am Eintritt der Kathode (210) des inertisierten Brennstoffzellenstapels (200) eingestellt wird, beispielsweise mit Hilfe eines in einen Anodenkreis (221) integrierten Gebläses (222).Procedure according to Claim 4 , characterized in that a higher pressure is set at the outlet of the anode (220) than at the inlet of the cathode (210) of the inerted fuel cell stack (200), for example by means of a blower (222) integrated into an anode circuit (221). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Verbindungsleitung (214) integrierte Absperrventil (215) erst geöffnet wird, wenn der Druck am Austritt der Anode (220) größer als der Druck am Eintritt der Kathode (210) ist.Procedure according to Claim 4 or 5 , characterized in that the shut-off valve (215) integrated in the connecting line (214) is only opened when the pressure at the outlet of the anode (220) is greater than the pressure at the inlet of the cathode (210). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Zuluftpfad (211) integrierte Absperrventil (216) geschlossen wird, wobei vorzugsweise das Absperrventil (216) mehrfach abwechselnd geschlossen und wieder geöffnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the shut-off valve (216) integrated in the supply air path (211) is closed, wherein the shut-off valve (216) is preferably closed and opened again several times alternately. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen der Verbindungsleitung (214) mit Wasserstoff das in die Verbindungsleitung (214) integrierte Absperrventil (215) geschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after filling the connecting line (214) with hydrogen, the shut-off valve (215) integrated in the connecting line (214) is closed. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Control device configured to carry out steps of a method according to one of the preceding claims.
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