DE102012023799A1 - Method for preparing re-start of fuel cell system, involves drying anode side and cathode side of fuel cell system by applying vacuum, and filling anode side and the cathode side of fuel cell system with fuel - Google Patents

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Abstract

The method involves drying anode side and cathode side of a fuel cell system (1) by applying a vacuum after switching off of the electrical power drawn from the fuel cell (3). The anode side and the cathode side of the fuel cell system are filled with fuel. The water content in the fuel cell system by water content determination unit (24) from the measured values is compared with the predetermined water content. The fuel from one of a storage volume (11) for the different fuel reservoir (13,30) for filling the fuel cell system is used after drying.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for preparing the restart of a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich dabei um Brennstoffzellensysteme handeln, welche insbesondere mit sogenannten PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sind. Sie können zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden. Problematisch bei solchen Brennstoffzellensystemen ist der Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Bei einem solchen, sogenannten Gefrierstart, können einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems und die Brennstoffzellen selbst, hier insbesondere die Kanäle, in den sogenannten Strömungsfeldern und Poren in den sogenannten Gasdiffusionsschichten einer Membranelektrodenanordnung von gefrorenem Wasser verstopft sein. Es kann jedoch auch zu eingefrorenen Komponenten, wie beispielsweise Ventilen, Leitungselementen, festgefroren Fördereinrichtungen oder dergleichen, kommen. Um dieser Problematik zu begegnen ist es einerseits möglich, während eines solchen Gefrierstarts eines Brennstoffzellensystems dieses entsprechend aufzuheizen und aufzutauen. Dies ist jedoch vergleichsweise energieintensiv und verzögert den Start, da es typischerweise eine längere Zeitspanne dauert, bis das Brennstoffzellensystem gänzlich aufgetaut ist.Fuel cell systems are known from the general state of the art. These may be fuel cell systems, which are constructed in particular with so-called PEM fuel cells. They can be used to generate electrical drive power in vehicles. The problem with such fuel cell systems is the start at temperatures below freezing. In such a so-called freeze start, individual components of the fuel cell system and the fuel cells themselves, in particular the channels, may be clogged with frozen water in the so-called flow fields and pores in the so-called gas diffusion layers of a membrane electrode assembly. However, it may also come to frozen components, such as valves, line elements, frozen conveyors, or the like. To counter this problem, it is possible, on the one hand, to heat and defrost it accordingly during such a freeze start of a fuel cell system. However, this is comparatively energy intensive and delays the launch since it typically takes a longer period of time for the fuel cell system to thaw completely.

Um dieser Problematik zu begegnen, kann das Brennstoffzellensystem bereits beim Abstellen des Brennstoffzellensystems zur Vorbereitung des Wiederstarts getrocknet werden. Hierfür ist es einerseits bekannt, das Brennstoffzellensystem mit Luft zu durchspülen, um Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Brennstoffzellensystem auszutreiben.To counteract this problem, the fuel cell system can already be dried when the fuel cell system is shut down in preparation for the restart. For this purpose, it is known on the one hand, to flush the fuel cell system with air to expel water or water vapor from the fuel cell system.

Außerdem ist es aus der gattungsgemäßen US 6,358,637 B1 bzw. der korrespondierenden DE 100 61 687 B4 bekannt, zum Trocknen des Brennstoffzellensystems Unterdruck an die Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems anzulegen, um so flüssiges Wasser zu verdampfen und über die Unterdruckpumpe abzuziehen. Ein vergleichbares Verfahren ist außerdem in der DE 60 2004 000 440 T2 oder in der JP 2008-1 031 20 A beschrieben. Dabei können verschiedene Mittel zur Erzeugung des Unterdrucks eingesetzt werden, beispielsweise eine eigens dafür vorgesehene Unterdruckpumpe, welche sich in dem Fahrzeug oder einem Bereich in dem das Fahrzeug typischerweise abgestellt wird, befindet. Genauso gut kann die Luftfördereinrichtung als Mittel zur Erzeugung von Unterdruck rückwärts betrieben werden, oder es kann eine Unterdruckpumpe eingesetzt werden, welche in dem Fahrzeug ohnehin vorhanden ist und dort sonst andere Funktionalitäten übernimmt.Moreover, it is of the generic type US 6,358,637 B1 or the corresponding one DE 100 61 687 B4 known to apply for drying the fuel cell system vacuum to the anode side and / or cathode side of the fuel cell system, so as to evaporate liquid water and withdrawn via the vacuum pump. A comparable method is also in the DE 60 2004 000 440 T2 or in the JP 2008-1 031 20 A described. In this case, different means for generating the negative pressure can be used, for example, a specially provided vacuum pump, which is located in the vehicle or an area in which the vehicle is typically parked. Just as well, the air conveyor can be operated as a means for generating negative pressure backwards, or it can be used a vacuum pump, which is present in the vehicle anyway and otherwise assumes other functionalities there.

Nach der Trocknung des Brennstoffzellensystems mit Unterdruck befindet sich dieses typischerweise in einem vergleichsweise trockenen Zustand. Der Unterdruck gleich sich über einen längeren Zeitraum des Stillstands des Brennstoffzellensystems durch das Eindringen von Luft in das Brennstoffzellensystem entsprechend aus. Nun ist es so, dass Luft in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere auf der Anodenseite, beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems zu erheblichen Problemen führen kann. Wird beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems Wasserstoff auf die Anodenseite dosiert, dann läuft eine Wasserstoff/Sauerstoff bzw. Wasserstoff/Luft-Front durch den Anodenraum. Entlang dieser Front kommt es zu erheblichen Potenzialunterschieden an der Anode, da der mit Wasserstoff beaufschlagte Bereich bereits die in der Brennstoffzelle übliche Spannung erzeugt, während der benachbarte noch mit Luft bzw. Sauerstoff beaufschlagte Bereich dies nicht tut. Hierdurch kommt es zu einer Degradation des Katalysators an der Anode, was die Lebensdauer der Brennstoffzelle deutlich verkürzt. Die Problematik ist die, dass selbst bei einem von Luft freien Anodenraum während einer längeren Stillstandsphase Sauerstoff aus dem Kathodenraum durch die Membranen der Brennstoffzelle in den Anodenraum diffundiert. Sobald nach dem Ausgleich des Unterdrucks also Luft in dem Brennstoffzellensystem vorhanden ist, stellt dies eine erhebliche Gefahr für die Lebensdauer der Brennstoffzelle beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems dar.After drying the fuel cell system with negative pressure, this is typically in a relatively dry state. The negative pressure is equal over a longer period of standstill of the fuel cell system by the penetration of air into the fuel cell system accordingly. Now it is so that air in the fuel cell system, in particular on the anode side, when restarting the fuel cell system can lead to significant problems. If hydrogen is metered onto the anode side when the fuel cell system is restarted, then a hydrogen / oxygen or hydrogen / air front runs through the anode chamber. Along this front there are considerable potential differences at the anode, since the area exposed to hydrogen already generates the voltage which is usual in the fuel cell, while the neighboring area which is still exposed to air or oxygen does not do so. This leads to a degradation of the catalyst at the anode, which significantly shortens the life of the fuel cell. The problem is that, even with an air-free anode compartment during a longer standstill phase, oxygen from the cathode compartment diffuses through the membranes of the fuel cell into the anode compartment. As soon as after the compensation of the negative pressure so air is present in the fuel cell system, this represents a significant risk to the life of the fuel cell when restarting the fuel cell system.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es aus der US 2005/0031917 A1 bekannt, dass beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems Brennstoff bzw. Wasserstoff in den Anodenraum und bevorzugt auch in den Kathodenraum eingebracht wird. Dieser Wasserstoff verhindert das Eindringen von Sauerstoff und kann so beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems dafür sorgen, dass die im Bereich des Anodenraums kritische Wasserstoff/Sauerstoff-Front beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems vermieden wird. Hierdurch lässt sich die Degradation des Anodenkatalysators verhindern und die Brennstoffzelle erreicht eine erheblich längere Lebensdauer.To counteract this problem, it is from the US 2005/0031917 A1 It is known that when a fuel cell system is switched off, fuel or hydrogen is introduced into the anode compartment and preferably also into the cathode compartment. This hydrogen prevents the ingress of oxygen and can thus ensure, when the fuel cell system is restarted, that the critical hydrogen / oxygen front in the area of the anode compartment is avoided when the fuel cell system is restarted. As a result, the degradation of the anode catalyst can be prevented and the fuel cell reaches a significantly longer life.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet, und welches einen sicheren und zuverlässige Wiederstart bei allen Umgebungstemperaturen gewährleistet, ohne dass eine Beeinträchtigung der Lebensdauer der Brennstoffzelle durch den Wiederstart auftritt.The object of the present invention is now to provide a method for preparing the restart of a fuel cell system with at least one fuel cell in a vehicle, which avoids the disadvantages mentioned, and which ensures a safe and reliable restart at all ambient temperatures, without affecting the Lifespan of the fuel cell due to the restart occurs.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. According to the invention this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the method according to the invention will become apparent from the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass, ebenso wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, das Trocknen der Brennstoffzelle nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite mittels Anlegen eines Unterdrucks erfolgt, wonach erfindungsgemäß nach dem Trocknen die Anodenseite und/oder die Kathodenseite der Brennstoffzelle mit Brennstoff gefüllt wird. Nach dem Trocknen über Unterdruck wird durch das Füllen mit Brennstoff dafür gesorgt, dass der Unterdruck sich nicht dadurch abbaut, dass Luft über das Brennstoffzellensystem nachströmt, sondern der Unterdruck wird gemäß der Erfindung durch ein Füllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff abgebaut. Dies gilt insbesondere für den Anodenraum sowie die damit verbundenen Komponenten, beispielsweise einen Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems. Ebenso kann die Kathodenseite und hier insbesondere der Kathodenraum mit Brennstoff gefüllt werden, um das Eindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum zu verhindern, sodass auch kein Sauerstoff durch die Membranen hindurch vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren kann, wenn das Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug länger abgestellt ist.In the method according to the invention, it is provided that, just as in the generic state of the art, the drying of the fuel cell after switching off the electrical power extraction from the fuel cell on the anode side and / or the cathode side by applying a negative pressure, which according to the invention after drying the anode side and / or the cathode side of the fuel cell is filled with fuel. After drying with vacuum, the filling with fuel ensures that the negative pressure does not dissipate in that air flows over the fuel cell system, but the negative pressure is reduced according to the invention by filling the fuel cell system with fuel. This applies in particular to the anode compartment and the components associated therewith, for example an anode circuit of the fuel cell system. Likewise, the cathode side and in particular the cathode space can be filled with fuel in order to prevent the penetration of oxygen into the cathode space, so that no oxygen can diffuse through the membranes from the cathode space into the anode space when the fuel cell system is parked longer in the vehicle ,

Das Trocknen des Brennstoffzellensystems über den Unterdruck nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle kann dabei insbesondere erfolgen, bevor das Brennstoffzellensystem wesentlich abgekühlt ist, um so die in dem Brennstoffzellensystem, und insbesondere in der Brennstoffzelle als Bauteil mit sehr hoher Wärmekapazität, vorhandene Restwärme zu nutzen, um eine möglichst gute Trocknung zu erzielen und möglichst viel in flüssiger Form vorhandenes Wasser durch den Unterdruck sicher und zuverlässig in den dampfförmigen Zustand zu überführen und absaugen zu können.The drying of the fuel cell system via the negative pressure after switching off the electrical power extraction from the fuel cell can be done in particular before the fuel cell system is substantially cooled, so as to the existing in the fuel cell system, and in particular in the fuel cell as a component with very high heat capacity residual heat use, in order to achieve the best possible drying and as much as possible in liquid form existing water by the negative pressure safe and reliable in the vaporous state to transfer and aspirate.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass das Trocknen mittels Unterdruck so lange erfolgt, bis ein vorgegebener Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem unterschritten ist. Dieser Wassergehalt wird so vorgegeben, dass ein Gefrierstart in jedem Fall möglich ist und nicht durch eventuell ausgebildetes Eis blockiert werden kann. Dieses zielgenaue Trocknen so, dass ein für einen erfolgreichen Wiederstart, insbesondere Gefrierstart, notwendiger Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem unterschritten ist, sorgt dafür, dass der benötigte Energiebedarf zur Erzeugung des Unterdrucks ebenso wie der Zeitbedarf minimiert werden kann, da immer genau so lange getrocknet wird, wie es für einen erfolgreichen Wiederstart notwendig ist.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is also provided that the drying by means of negative pressure takes place until a predetermined water content in the fuel cell system is reached. This water content is set so that a freeze start is possible in any case and can not be blocked by any trained ice. This targeted drying so that a necessary for a successful restart, especially freezing, necessary water content in the fuel cell system, ensures that the energy required to generate the negative pressure as well as the time required can be minimized, as always just as long dried, as necessary for a successful restart.

In einer sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem mittels einer Wassergehaltsbestimmungseinrichtung aus einem oder mehreren Messwerten erfasst und mit dem vorgegebenen Wassergehalt verglichen wird. Als Messwerte können dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung Werte von Wechselstromwiderstandsmessungen, Impedanzmessungen und/oder Feuchtemessungen genutzt werden. Die Messungen können an geeigneten Stellen des Brennstoffzellensystems erfolgen und können entweder alleine oder miteinander kombiniert zur Bestimmung bzw. Abschätzung des Wassergehalts in der Wassergehaltsbestimmungseinrichtung eingesetzt werden.In a very favorable embodiment of this idea, it may be provided that the water content in the fuel cell system is detected by means of a water content determination device from one or more measured values and compared with the predetermined water content. Values of AC resistance measurements, impedance measurements and / or moisture measurements can be used as measured values in accordance with an advantageous development of the invention. The measurements can take place at suitable locations of the fuel cell system and can be used either alone or combined with one another to determine or estimate the water content in the water content determination device.

Um die Trocknung zu beschleunigen und zu verbessern, kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem vorgesehen sein, dass während der Trocknung eventuell vorhandene Heizeinrichtungen in dem Brennstoffzellensystem zumindest teilweise betrieben werden. Häufig ist es so, dass in Brennstoffzellensystemen auf jeden Fall Heizeinrichtungen vorhanden sind, beispielsweise um im Notfall gefrorene Ventileinrichtungen innerhalb der Leitungen, welche Produkte und Edukte der Brennstoffzelle führen, auftauen zu können. Solche ohnehin vorhandenen Heizeinrichtungen können gemäß der beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nun während des Trocknens betrieben werden. Hierdurch wird es möglich, die Temperatur in dem Bereich, in dem getrocknet werden soll, entsprechend zu erhöhen und so die Trocknung zu verbessern.In order to accelerate and improve the drying, it may also be provided according to a very advantageous embodiment of the method according to the invention, that during heating any existing heating devices in the fuel cell system are at least partially operated. It is often the case that in fuel cell systems heating means are available in any case, for example in order to thaw frozen emergency valve devices within the lines, which lead products and educts of the fuel cell to thaw. Such already existing heaters can now be operated during drying according to the described embodiment of the method according to the invention. This makes it possible to increase the temperature in the area to be dried in accordance with, and thus to improve the drying.

Eine günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei ferner vor, dass zum Erzeugen des Unterdrucks eine Unterdruckpumpe verwendet wird, welche im regulären Betrieb des mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs andere Funktionen in dem Fahrzeug übernimmt, insbesondere zur Bremskraftverstärkung eingesetzt wird. Eine im den Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem ohnehin vorhandene Unterdruckpumpe kann besonders einfach und effizient zur Erzeugung des Unterdrucks eingesetzt werden, ohne dass hierfür eine zusätzliche neue Komponente mitgeführt werden muss. Sehr einfach kann beispielsweise eine für einen Bremskraftverstärker in dem Fahrzeug eingesetzte Unterdruckpumpe zur Erzeugung des Unterdrucks zum Trocknen des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Über eine einfache zusätzliche Rohrleitung mit Ventil kann eine Anbindung der Anodenseite und/oder der Kathodenseite an die Unterdruckpumpe erfolgen, welche nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems ohnehin nicht mehr zur Bremskraftverstärkung benötigt wird. Sie kann dann zur Erzeugung des Unterdrucks zum Trocknen des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden.A favorable development of the method according to the invention also provides that a negative pressure pump is used to generate the negative pressure, which assumes other functions in the vehicle in the regular operation of the vehicle equipped with the fuel cell system, in particular for brake booster. A in the vehicle with the fuel cell system anyway existing vacuum pump can be particularly easily and efficiently used to generate the negative pressure, without the need for an additional new component must be carried. For example, a vacuum pump used for a brake booster in the vehicle can be used very simply to generate the negative pressure for drying the fuel cell system. A simple additional pipeline with a valve can connect the anode side and / or the Cathode side to the vacuum pump, which is no longer needed after stopping the fuel cell system for brake booster anyway. It can then be used to generate the negative pressure for drying the fuel cell system.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass die Unterdruckpumpe nach dem Trocknen ohne Verbindung zur Anodenseite und Kathodenseite des Brennstoffzellensystems nachläuft. Ein solches Nachlaufen der Unterdruckpumpe kann verwendet werden, um diese selbst zu trocknen. Dabei ist die Verbindung zum Brennstoffzellensystem bereits unterbrochen, sodass die Pumpe lediglich sich selbst durchspült, um so getrocknet zu werden und den Eintrag von Feuchtigkeit in das ansonsten, während des regulären Betriebs, mit der Unterdruckpumpe betriebene System sicher und zuverlässig zu verhindern.In a very advantageous development thereof, it can also be provided that the vacuum pump after drying without connection to the anode side and cathode side of the fuel cell system trailing. Such overrun of the vacuum pump can be used to dry it yourself. The connection to the fuel cell system is already interrupted, so that the pump only rinses itself, so as to be dried and to prevent the entry of moisture into the otherwise, during normal operation, operated with the vacuum pump system safely and reliably.

Der Brennstoff zum Füllen der Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems nach dem Trocknen kann dabei beispielsweise aus einem Speichervolumen für den Brennstoff in dem Brennstoffzellensystem, beispielsweise einem Hochdrucktank für Wasserstoff, stammen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei auch möglich, dass der Brennstoff aus einem vom Speichervolumen für den Brennstoff verschiedenen Vorratsbehälter zum Füllen des Brennstoffzellensystems nach dem Trocknen verwendet wird. Ein solcher Vorratsbehälter hat dabei den Vorteil, dass er Brennstoff auf einem Druckniveau speichern kann, welches typischerweise unterhalb des Druckniveaus des Speichervolumens für den Brennstoff liegt. Hierdurch ist es möglich, ohne dass ein Hochdruckventil nach dem elektrischen Abstellen des Brennstoffzellensystems geöffnet werden muss, eine ausreichende Menge an Brennstoff zum Füllen der Anodenseite und/oder der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems nach dem Trocknen bereitzustellen.The fuel for filling the anode side and / or cathode side of the fuel cell system after drying can be derived, for example, from a storage volume for the fuel in the fuel cell system, for example a high-pressure tank for hydrogen. According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is also possible that the fuel from a reservoir different from the storage volume for the fuel is used for filling the fuel cell system after drying. Such a reservoir has the advantage that it can store fuel at a pressure level which is typically below the pressure level of the storage volume for the fuel. This makes it possible, without a high pressure valve must be opened after the electrical shutdown of the fuel cell system, to provide a sufficient amount of fuel for filling the anode side and / or the cathode side of the fuel cell system after drying.

Als Vorratsbehälter kann dabei gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee ein Teil der Zufuhrleitungen für den Brennstoff genutzt werden. Zwischen dem Hochdruckventil und einem Druckregel- und Dosierventil ist typischerweise ein Leitungselement vorhanden, welches den Brennstoff von dem Hochdruckabsperrventil zu dem eigentlichen Brennstoffzellensystem und dem dort angeordneten Dosierventil führt. Ist dieses Leitungsvolumen ausreichend groß bzw. die Leitung ausreichend lang, so kann dieses Leitungsvolumen sehr einfach und effizient als Vorratsbehälter genutzt werden, da das Volumen ohnehin vorhanden ist und die entsprechenden Ventileinrichtungen ebenfalls in dem regulären Brennstoffzellensystem ohnehin vorhanden sind.As a reservoir can be used in accordance with a very favorable development of this idea, a portion of the supply lines for the fuel. Between the high-pressure valve and a pressure regulating and metering valve, a line element is typically present, which leads the fuel from the Hochdruckabsperrventil to the actual fuel cell system and the metering valve arranged there. If this line volume is sufficiently large or the line is sufficiently long, then this line volume can be used very simply and efficiently as a reservoir, since the volume is present anyway and the corresponding valve devices are also present in the regular fuel cell system anyway.

Ergänzend oder alternativ dazu ist es selbstverständlich auch möglich, den Vorratsbehälter durch ein eigenes Speichervolumen, beispielsweise einen Speichertank, welcher zusätzlich in dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Fahrzeug vorhanden ist, auszubilden. Der Vorratsbehälter in dieser Ausführungsform kann dabei während des Betriebs des Brennstoffzellensystems oder durch abgesaugten Brennstoff aus der Anodenseite beim Trocknen befüllt werden. Eine Befüllung während des Betriebs stellt den Brennstoff auf einem Druckniveau in dem Vorratsbehälter bereit, welches typischerweise in der Höhe des Betriebsdrucks des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelle liegt. Es kann beispielsweise in einem Anodenkreislauf oder einer Brennstoffzuleitung der Anodenseite angeordnet und über ein Ventil entsprechend steuerbar mit der Anodenseite verbunden sein. Während des Betriebs ist das Ventil geöffnet, sodass das Volumen sich füllt. Beim Abstellen wird das Ventil entsprechend geschlossen und nach dem Trocknen wieder geöffnet, um den in dem Vorratsbehälter gespeicherten Brennstoff auf die Anodenseite zurückströmen zu lassen. Über eine Verbindung der Anodenseite und der Kathodenseite kann dieser Aufbau auf beide Seiten der Brennstoffzelle erweitert werden.In addition or alternatively, it is of course also possible to form the storage container by its own storage volume, for example a storage tank, which is additionally present in the fuel cell system or the vehicle. The reservoir in this embodiment can be filled during operation of the fuel cell system or by sucked fuel from the anode side during drying. Filling during operation provides the fuel at a pressure level in the reservoir that is typically at the level of the operating pressure of the fuel cell system or fuel cell. It can be arranged, for example, in an anode circuit or a fuel supply line of the anode side and connected via a valve corresponding controllable with the anode side. During operation, the valve is open so that the volume fills up. During shutdown, the valve is closed accordingly and opened again after drying in order to allow the fuel stored in the reservoir to flow back to the anode side. Through a connection of the anode side and the cathode side of this structure can be extended to both sides of the fuel cell.

Die alternative Ausführungsform, bei welcher abgesaugter Brennstoff aus der Anodenseite beim Trocknen in den Vorratsbehälter gefüllt wird, kann so ausgebildet sein, dass der Vorratsbehälter in Verbindung mit der Unterdruckpumpe oder der jeweiligen Einrichtung zum Erzeugen des Unterdrucks während des Trocknens steht. Der Brennstoff kann dann über die Unterdruckpumpe in den Vorratsbehälter gefördert werden und kann nach dem Trocknen wieder zurück in die Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems strömen. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da der auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems verbleibende Restwasserstoff nicht an die Umgebung abgegeben, sondern in dem Vorratsbehälter zwischengespeichert und nach dem Trocknen in das Brennstoffzellensystem zurückgefördert wird. Hierdurch ist es möglich, ohne dass Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem verloren geht, das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und hinsichtlich der benötigten Wasserstoffmenge sehr effizient durchzuführenThe alternative embodiment, in which aspirated fuel from the anode side is filled into the reservoir during drying, may be configured such that the reservoir communicates with the vacuum pump or the respective device for generating the negative pressure during drying. The fuel can then be conveyed via the vacuum pump into the reservoir and, after drying, can flow back into the anode side and / or cathode side of the fuel cell system. This structure is particularly simple and efficient, since the residual hydrogen remaining on the anode side of the fuel cell system is not released to the environment, but is temporarily stored in the reservoir and returned to the fuel cell system after drying. This makes it possible, without loss of hydrogen from the fuel cell system, to carry out the process according to the invention very simply and very efficiently with regard to the required amount of hydrogen

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Füllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff erfolgt, bevor sich der Unterdruck in dem Brennstoffzellensystem nach dem Trocknen vollständig abgebaut hat. Diese besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es also vor, dass der Unterdruck unmittelbar durch den einströmenden Brennstoff ausgeglichen wird, sodass über das Druckgefälle aufgrund des in dem Brennstoffzellensystem noch herrschenden Unterdrucks nach der Trocknung die Befüllung mit dem Brennstoff erfolgen kann. Hierdurch wird das Eindringen von eventueller Luft, insbesondere beim Vorhandensein von Undichtheiten und dergleichen, sicher und zuverlässig verhindert.In an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it can also be provided that the fuel cell system is filled with fuel before the negative pressure in the fuel cell system has completely dissipated after drying. This particularly favorable embodiment of the method according to the invention thus provides that the negative pressure is compensated directly by the inflowing fuel, so that the pressure gradient due to the in the Fuel cell system still prevailing negative pressure after drying, the filling can be done with the fuel. As a result, the penetration of any air, especially in the presence of leaks and the like, safely and reliably prevented.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass während des gesamten Verfahrens eine Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite immer unter 1,5 bar, vorzugsweise unter 1 bar, besonders bevorzugt unter 0,5 bar, gehalten wird. Ein solches Einhalten einer Druckdifferenz von weniger als 1,5 bar zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite während des gesamten Verfahrens, also sowohl beim Trocknen, insbesondere jedoch beim Füllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff nach dem Trocknen, schont die zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite angeordneten Membranen des Brennstoffzellensystems und sorgt so für einen sehr schonenden Umgang mit der Brennstoffzelle. Dies gilt dabei insbesondere dann, wenn das Verfahren lediglich für eine Seite, vorzugsweise für die Anodenseite, angewandt wird und/oder wenn durch lange Verbindungsleitungen zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite beim Anlegen des Unterdrucks und/oder Befüllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff die Gefahr besteht, dass sich hohe Druckdifferenzen aufbauen.In an advantageous development of the method according to the invention, it is provided that during the entire process a pressure difference between the anode side and the cathode side is always kept below 1.5 bar, preferably below 1 bar, more preferably below 0.5 bar. Such a maintenance of a pressure difference of less than 1.5 bar between the anode side and the cathode side during the entire process, so both during drying, but especially when filling the fuel cell system with fuel after drying, protects the arranged between the cathode side and the anode side membranes of the fuel cell system and thus ensures a very gentle handling of the fuel cell. This applies in particular if the method is only used for one side, preferably for the anode side, and / or if the danger exists through long connecting lines between the cathode side and the anode side when applying the negative pressure and / or filling the fuel cell system with fuel. that build up high pressure differences.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich zusätzlich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Advantageous developments of the method according to the invention will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein Brennstoffzellensystem in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug in einer ersten möglichen Ausführungsform zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a fuel cell system in a vehicle indicated in principle in a first possible embodiment for carrying out the method according to the invention;

2 ein Brennstoffzellensystem in einer zweiten möglichen Ausführungsform zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 2 a fuel cell system in a second possible embodiment for carrying out the method according to the invention; and

3 ein Brennstoffzellensystem in einer dritten möglichen Ausführungsform zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 a fuel cell system in a third possible embodiment for carrying out the method according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 1 in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst im Kern eine Brennstoffzelle 3, welche aus einer Vielzahl von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut sein soll. Jede der Einzelzellen weist dabei einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf, welche durch eine protonenleitende Membran 6 voneinander getrennt ausgebildet sind. Dieser Aufbau ist in der Darstellung der 1 innerhalb der Brennstoffzelle 3 durch einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 sowie eine Membran 6 prinzipmäßig angedeutet. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 7 zugeführt. Diese ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit einer Turbine 8 und einer elektrischen Maschine 10 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Über die elektrische Maschine 10 kann die Luftfördereinrichtung 7 ebenso angetrieben werden, wie über die Turbine 8, welche zur Rückgewinnung von Druckenergie und thermischer Energie aus der Abluft des Kathodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 dient. Liegt an der Turbine 8 ein Überschuss an Energie vor, so kann über die Turbine 8 auch die elektrische Maschine generatorisch betrieben werden. Dieser Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. In Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine ist prinzipmäßig ein Wasserabscheider 9 angedeutet, welcher dafür sorgt, dass flüssige Tröpfchen nicht in den Bereich der schnelllaufenden Turbine gelangen.In the presentation of the 1 is an exemplary fuel cell system 1 in a vehicle indicated in principle 2 shown. The fuel cell system 1 basically includes a fuel cell 3 , which should be made up of a large number of individual cells in PEM technology. Each of the individual cells has an anode space 4 and a cathode compartment 5 on, which by a proton-conducting membrane 6 are formed separately from each other. This structure is in the representation of 1 inside the fuel cell 3 through an anode compartment 4 and a cathode compartment 5 and a membrane 6 indicated in principle. The cathode compartment 5 the fuel cell 3 Air is transferred via an air conveyor 7 fed. This is in the embodiment shown here together with a turbine 8th and an electric machine 10 arranged on a common shaft. About the electric machine 10 can the air conveyor 7 be driven as well as over the turbine 8th , which for the recovery of pressure energy and thermal energy from the exhaust air of the cathode compartment 5 the fuel cell 3 serves. Lies at the turbine 8th There may be a surplus of energy over the turbine 8th also the electric machine can be operated as a generator. This structure is known from the general state of the art and is referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). In the flow direction of the exhaust air in front of the turbine is in principle a water separator 9 indicated, which ensures that liquid droplets do not reach the area of the high-speed turbine.

Auf der Anodenseite des Brennstoffellensystems 1, also der Seite, bei der Leitungselemente und Komponenten mit dem Anodenraum 4 in Verbindung stehen, erfolgt die Dosierung von Brennstoff, in diesem Fall Wasserstoff, aus einem Druckgasspeicher 11 als Speichervolumen für den Wasserstoff. Über ein Hochdruckabsperrventil 12 kann dieser Druckgasspeicher 11 abgesperrt werden. In Strömungsrichtung nach dem Hochdruckabsperrventil 12 folgt ein Leitungselement 13 sowie ein Druckregel- und Dosierventil 14, über welches der Wasserstoff zu dem Anodenraum 4 geleitet wird. Der Wasserstoff durchströmt dabei als Treibstrahl eine Gasstrahlpumpe 15, welche ein über eine Rezirkulationsleitung 16 aus dem Anodenraum 4 austretendes Abgas beschleunigt und in an sich bekannter Weise zusammen mit dem frischen Wasserstoff zum Anodenraum 4 zurückführt. Alternativ oder ergänzend zu der Gasstrahlpumpe 15 als Rezirkulationsfördereinrichtung wäre auch die Verwendung eines Wasserstoffgebläses als Rezirkulationsfördereinrichtung denkbar. In der Rezirkulationsleitung 16 ist dabei ein Wasserabscheider 17 angeordnet, welcher über eine Ablassleitung mit einem darin angeordneten Ablassventil 18 verfügt, sodass Wasser, welches sich in diesem Wasserabscheider 17 ansammelt, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstands an Wasser abgelassen werden kann. In Verbindung mit der Rezirkulationsleitung 16, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über den Wasserabscheider 17, befindet sich nun außerdem eine Unterdruckleitung 19 mit einer Ventileinrichtung 20. Diese Unterdruckleitung 19 steht mit einer Unterdruckpumpe 21 in Verbindung. Die vorzugsweise elektrisch angetriebene Unterdruckpumpe 21 sorgt im regulären Betrieb des Fahrzeugs 2 dabei für Unterdruck im Bereich eines Bremskraftverstärkers 22, welcher in an sich bekannter, hier nicht dargestellter Art und Weise, mit einer Bremsanlage des Fahrzeugs 2 in Verbindung steht. Optional kann dabei ein Rückschlagventil 23 zwischen der Unterdruckpumpe 21 und dem Bremskraftverstärker 22 angeordnet sein.On the anode side of the fuel cell system 1 , So the side, in the line elements and components with the anode compartment 4 In connection, the metering of fuel, in this case hydrogen, from a compressed gas storage takes place 11 as storage volume for the hydrogen. Via a high-pressure shut-off valve 12 can this compressed gas storage 11 be shut off. In the flow direction after the high-pressure shut-off valve 12 follows a conduit element 13 as well as a pressure regulating and dosing valve 14 , via which the hydrogen to the anode compartment 4 is directed. The hydrogen flows through as a propulsion jet, a gas jet pump 15 which one via a recirculation line 16 from the anode compartment 4 escaping exhaust gas accelerates and in a conventional manner together with the fresh hydrogen to the anode compartment 4 returns. Alternatively or in addition to the gas jet pump 15 As a recirculation conveyor also the use of a hydrogen blower as Rezirkulationsfördereinrichtung would be conceivable. In the recirculation line 16 is a water separator 17 arranged, which via a drain line with a drain valve disposed therein 18 has, so that water, which is in this water separator 17 accumulates, for example, from time to time or depending on the level of water can be drained. In conjunction with the recirculation line 16 in the exemplary embodiment illustrated here via the water separator 17 , there is now also a vacuum line 19 with a valve device 20 , This vacuum line 19 stands with one Vacuum pump 21 in connection. The preferably electrically driven vacuum pump 21 ensures the regular operation of the vehicle 2 while for negative pressure in the range of a brake booster 22 , which in a known manner, not shown here way, with a brake system of the vehicle 2 communicates. Optionally can be a check valve 23 between the vacuum pump 21 and the brake booster 22 be arranged.

Wird das Fahrzeug 2 mit dem darin befindlichen Brennstoffzellensystem 1 nun abgestellt, so wird typischerweise die Entnahme von elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle 3 gestoppt. Gegebenenfalls wird zuvor über eine Hilfslast oder dergleichen dafür gesorgt, dass Reste von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in der Brennstoffzelle 3 aufgebraucht werden. Nun ist es so, dass das Brennstoffzellensystem 1 während des Betriebs durch die Erzeugung von Produktwasser in der Brennstoffzelle 3 sowohl mit flüssigem Wasser als auch mit Feuchtigkeit in annähernd allen Bereichen der Brennstoffzelle 3 sowie der Leitungselemente des Brennstoffzellensystems 1 beladen ist. Dieses Wasser bzw. Wasser, welches aus der Feuchtigkeit beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems auskondensiert, kann dann, wenn die Temperaturen um das Fahrzeug 2 herum unter den Gefrierpunkt fallen, dafür sorgen, dass das Brennstoffzellensystem 1 und/oder wichtige Teile desselben einfrieren, sodass ein Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 2 nicht oder nicht ohne erhebliche Probleme möglich ist.Will the vehicle 2 with the fuel cell system therein 1 now turned off, so is typically the removal of electrical power from the fuel cell 3 stopped. Optionally, it is previously ensured via an auxiliary load or the like that residues of hydrogen and / or oxygen in the fuel cell 3 be used up. Now it is like that the fuel cell system 1 during operation by the generation of product water in the fuel cell 3 with both liquid water and moisture in nearly all areas of the fuel cell 3 and the line elements of the fuel cell system 1 loaded. This water or water, which condenses out of the moisture during cooling of the fuel cell system, then, when the temperatures around the vehicle 2 to fall below freezing, ensure that the fuel cell system 1 and / or freeze important parts thereof, thus restarting the fuel cell system 1 in the vehicle 2 not or not without significant problems is possible.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken, kann nun, nachdem die elektrische Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle 3 abgestellt ist, die Ventileinrichtung 20 in der Unterdruckleitung 19 geöffnet werden. Wird dann die Unterdruckpumpe 21 betrieben, so sorgt sie dafür, dass, in diesem Ausführungsbeispiel die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1, unter einen Unterdruck gesetzt wird. Hierdurch kommt es einerseits zu einem Absaugen der Feuchtigkeit und andererseits durch die Verminderung des Drucks auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 zu einem verstärkten Verdampfen des Wassers in diesem Bereich, sodass auch dieses in Form von Feuchtigkeit bzw. Wasserdampf abgesaugt werden kann. Hierdurch lässt sich das Brennstoffzellensystem 1, bzw. in dem Ausführungsbeispiel der 1, insbesondere die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1, sehr effizient trocknen, um diese so auf einen Wiederstart auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sicher und zuverlässig vorzubereiten. Das Trocknen kann dabei insbesondere erfolgen, solange die Brennstoffzelle 3 noch annähernd ihre Betriebstemperatur aufweist, um so das Verdampfen des Wassers aufgrund der höheren Temperatur zu begünstigen. Ergänzend oder alternativ hierzu können im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 zusätzliche Heizvorrichtungen, beispielsweise im Bereich von Ventilen oder im Bereich der Wasserabscheider, vorhanden sein. Diese können während des Trocknens ebenfalls eingeschaltet werden, sodass die Temperatur weiter erhöht wird oder langsamer absinkt, was das Trocknen ebenfalls begünstigt.To counteract this problem, now, after the electrical power extraction from the fuel cell 3 is turned off, the valve device 20 in the vacuum line 19 be opened. Will then the vacuum pump 21 operated, it ensures that, in this embodiment, the anode side of the fuel cell system 1 , is placed under a vacuum. This results on the one hand in a suction of moisture and on the other hand by reducing the pressure on the anode side of the fuel cell system 1 to an increased evaporation of water in this area, so that this can be sucked off in the form of moisture or water vapor. This allows the fuel cell system 1 , or in the embodiment of the 1 , in particular the anode side of the fuel cell system 1 , dry very efficiently to safely and reliably prepare them for re-start even at temperatures below freezing. The drying can be carried out in particular, as long as the fuel cell 3 still approximately at its operating temperature, so as to favor the evaporation of the water due to the higher temperature. Additionally or alternatively, in the area of the fuel cell system 1 additional heaters, for example in the range of valves or in the water separator, be present. These can also be switched on during drying, so that the temperature is further increased or decreases more slowly, which also promotes drying.

In dem Brennstoffzellensystem 1 in der Darstellung der 1 ist außerdem eine Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 angeordnet. Diese dient zur Steuerung der Ventileinrichtung 20 und der Unterdruckpumpe 21 während des Trocknens und erhält über drei prinzipmäßig angedeutete Sensoren 25 Messwerte, auf deren Basis sie den Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem 1 ermitteln kann. Diese Messwerte können beispielsweise der Wechselstromwiderstand, die Impedanz oder eine direkte Feuchtemessung sein. Auch eine Kombination dieser Messwerte zur Bestimmung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellensystem 1 ist denkbar. Die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 kennt nun außerdem einen vorgegebenen Wert des Wassergehalts in dem Brennstoffzellensystem 1, welcher typischerweise über Versuche oder Erfahrungswerte so bestimmt wird, dass bei diesem Wert an Wassergehalt ein sicherer Start des Brennstoffzellensystems 1 auch unter Gefrierbedingungen möglich ist. Die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 vergleicht nun diese beiden Werte miteinander und trocknet die Brennstoffzelle 3 durch den Betrieb der Unterdruckpumpe 21 bei geöffneter Ventileinrichtung 20 in der Unterdruckleitung 19 so lange, bis der aktuell erfasste Wassergehalt unter diesem vorgegebenen Wassergehalt liegt. Danach ist das Trocknen abgeschlossen und die Ventileinrichtung 20 wird geschlossen. Die Unterdruckpumpe 21 kann dann noch eine gewisse Zeit nachlaufen, um auch sich selbst zu trocknen und den Eintrag von Feuchtigkeit in ein im regulären Betrieb des Fahrzeugs 2 mit der Unterdruckpumpe verbundenes System, in diesem Fall also den Bremskraftverstärker 22, sicher und zuverlässig zu vermeiden.In the fuel cell system 1 in the presentation of the 1 is also a water content determination device 24 arranged. This serves to control the valve device 20 and the vacuum pump 21 during drying and receives over three principle indicated sensors 25 Measured values on the basis of which they are the water content in the fuel cell system 1 can determine. These measured values can be, for example, the AC resistance, the impedance or a direct moisture measurement. Also, a combination of these measurements to determine the water content in the fuel cell system 1 is conceivable. The water content determination device 24 now also knows a given value of the water content in the fuel cell system 1 which is typically determined by experiments or empirical values such that at this value of water content a safe start of the fuel cell system 1 also possible under freezing conditions. The water content determination device 24 compare these two values with each other and dry the fuel cell 3 by the operation of the vacuum pump 21 when the valve device is open 20 in the vacuum line 19 until the currently recorded water content is below this specified water content. Thereafter, the drying is completed and the valve device 20 will be closed. The vacuum pump 21 It can then run for a while to dry itself and the entry of moisture into the regular operation of the vehicle 2 connected to the vacuum pump system, in this case, the brake booster 22 to avoid safe and reliable.

Nachdem das Brennstoffzellensystem 1 oder in der Darstellung der 1 beispielhaft die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 so getrocknet worden ist, wird nun Wasserstoff in den Anodenraum 4 und die Rezirkulationsleitung 16 zudosiert, um den Unterdruck auszugleichen und das Eindringen von Luft bzw. Sauerstoff durch Undichtheiten oder insbesondere durch die Membran 6 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 zu verhindern, um so beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 Probleme, welche sich durch eine Wasserstoff/Sauerstoff-Front, welche durch den Anodenraum 4 bzw. über die Anode laufen, zu vermeiden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Wasserstoff dabei direkt aus dem Druckgasspeicher 11 stammen. Besonders bevorzugt soll der Wasserstoff jedoch aus dem Leitungselement 13 als Vorratsbehälter stammen. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 wird dabei das Hochdruckventil 12 geschlossen, und ebenso das Druckregel- und Dosierventil 14, um das Nachdosieren von Wasserstoff zu verhindern. Nach dem Trocknen des Brennstoffzellensystems 1 bzw. seiner Anodenseite kann nun das Druckregel- und Dosierventil 14 wieder geöffnet werden, sodass der in dem Leitungselement 13 als Vorratsbehälter zwischengespeicherte Wasserstoff in die Rezirkulationsleitung 16 und den Anodenraum 14 strömt und damit für eine Brennstoffatmosphäre auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 sorgt. Das Eindringen von Luft bzw. Sauerstoff wird dadurch verhindert oder zumindest über einen längeren Zeitraum hinweg erschwert.After the fuel cell system 1 or in the representation of 1 for example, the anode side of the fuel cell system 1 has been dried, now hydrogen is in the anode compartment 4 and the recirculation line 16 metered to compensate for the negative pressure and the ingress of air or oxygen by leaks or in particular through the membrane 6 from the cathode compartment 5 in the anode compartment 4 to prevent so when restarting the fuel cell system 1 Problems which are due to a hydrogen / oxygen front, which through the anode compartment 4 or run over the anode, to avoid. In the illustrated embodiment, the hydrogen can be directly from the compressed gas storage 11 come. However, the hydrogen should be particularly preferred from the conduit element 13 as a storage container come. When parking the fuel cell system 1 becomes the high pressure valve 12 closed, as well as the pressure regulating and metering valve 14 to prevent the re-metering of hydrogen. After drying the fuel cell system 1 or its anode side can now the pressure regulating and metering valve 14 be reopened so that in the conduit element 13 as a reservoir cached hydrogen in the recirculation line 16 and the anode compartment 14 flows and thus for a fuel atmosphere on the anode side of the fuel cell system 1 provides. The penetration of air or oxygen is thereby prevented or at least made difficult over a longer period of time.

In der Darstellung der 2 ist ein sehr ähnlicher Aufbau ohne das angedeutete Fahrzeug 2 nochmals dargestellt. Dieselben Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen und haben dieselbe Funktion wie in der Darstellung gemäß 1. Der Unterschied zwischen den beiden Brennstoffzellensystemen 1 gemäß den 1 und 2 liegt nun in einigen Details, welche nachfolgend näher erläutert werden. Ein erster Unterschied liegt darin, dass im Bereich der Luftzuleitung und der Luftableitung jeweils eine Ventileinrichtung 26 vorgesehen ist. Über diese Ventileinrichtungen 26 kann der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 gegenüber der Umgebung abgesperrt werden. Er ist über eine Verbindungsleitung 27 mit einer weiteren Ventileinrichtung 28 mit der Unterdruckleitung 19 verbunden, sodass bei geöffneter Ventileinrichtung 28 eine Verbindung zwischen dem Anodenraum 4 bzw. der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 und dem Kathodenraum 5 bzw. der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 hergestellt wird. Anstelle der Ventileinrichtung 20 in der Unterdruckleitung 19 ist in der Darstellung der 2 ein Dreiwegeventil 29 an dem Punkt, an dem die Unterdruckleitung 19 mit einer Leitung vom Bremskraftverstärker 22 zusammengeführt wird, angeordnet. Über dieses Dreiwegeventil kann eine Umschaltung erzielt werden, sodass einmal die Unterdruckleitung 19 und mit ihr die Verbindungsleitung 27 mit der Unterdruckpumpe 21 verbunden ist und das andere mal die mit dem Bremskraftverstärker 22 in Verbindung stehende Leitung. Bei Bedarf kann dann, analog zur Vorgehensweise in 1, durch ein Umschalten der Ventileinrichtung 29 ein Trocknen des Brennstoffzellensystems 1, und zwar bei geöffneter Ventileinrichtung 28 in der Verbindungsleitung 27, sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite erfolgen. Um keine Luft über die Zuluftleitung bzw. Abluftleitung nachzusaugen, sind die Ventileinrichtungen 26 in dieser Betriebssituation geschlossen.In the presentation of the 2 is a very similar construction without the indicated vehicle 2 shown again. The same elements are provided with the same reference numerals and have the same function as in the illustration according to 1 , The difference between the two fuel cell systems 1 according to the 1 and 2 is now in some details, which are explained in more detail below. A first difference is that in the area of the air supply and the air discharge each have a valve device 26 is provided. About these valve devices 26 can the cathode compartment 5 the fuel cell 3 be shut off from the environment. He is over a connection line 27 with a further valve device 28 with the vacuum line 19 connected, so with open valve device 28 a connection between the anode compartment 4 or the anode side of the fuel cell system 1 and the cathode compartment 5 or the cathode side of the fuel cell system 1 will be produced. Instead of the valve device 20 in the vacuum line 19 is in the representation of 2 a three-way valve 29 at the point where the vacuum line 19 with a line from the brake booster 22 is merged, arranged. This three-way valve can be used to switch over so that once the vacuum line 19 and with her the connection line 27 with the vacuum pump 21 connected and the other times with the brake booster 22 related line. If necessary, then, analogous to the procedure in 1 , By switching the valve device 29 a drying of the fuel cell system 1 , namely with the valve device open 28 in the connection line 27 , Both the anode side and the cathode side take place. To suck in any air via the supply air line or exhaust air line, the valve devices 26 closed in this operating situation.

Nachdem die Trocknung des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt ist, wofür wiederum analog zur Darstellung in 1 eine Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 vorhanden sein könnte, diese ist zur Vereinfachung der Darstellung in 2 jedoch nicht dargestellt, wird die Verbindung der Unterdruckleitung 19 mit der Unterdruckpumpe 21 durch das Dreiwegeventil 29 entsprechend verschlossen. Danach wird das Brennstoffzellensystem 1 mit Wasserstoff befüllt, welcher beispielsweise aus dem in der 2 nicht dargestellten Druckgasspeicher 11 stammen könnte. Ebenso wäre es denkbar, wiederum die nur teilweise dargestellte Leitung 13 als Vorratsbehälter zu verwenden. In der Darstellung der 2 ist außerdem eine alternative Variante dargestellt, bei welcher in Verbindung mit der Rezirkulationsleitung 16 ein zusätzlicher unabhängig von dem Druckgasspeicher 11 ausgebildeter Vorratsbehälter 30 angeordnet ist, welcher über eine Vorratsleitung 31 mit einer Ventileinrichtung 32 mit der Rezirkulationsleitung 16 verbunden ist. Bei geöffneter Ventileinrichtung 32 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 kann der Vorratsbehälter 30 sich dabei mit Brennstoff auf dem Druckniveau des Brennstoffzellensystems 1 füllen und nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 wird durch ein Schließen der Ventileinrichtung 32 der Brennstoff in dem Vorratsbehälter 30 bevorratet. Nach dem Trocknen kann die Ventileinrichtung 32 dann wieder geöffnet werden, sodass der Brennstoff aus dem Vorratsbehälter 30 durch die Vorratsleitung 31 in die Rezirkulationsleitung 16 strömt und sich über die Verbindungsleitung bei geöffnetem Verbindungsventil 28 im gesamten Brennstoffzellensystem 1 ausbreitet, sodass der hier bisher vorherrschende Unterdruck durch das Einströmen von Brennstoff ausgeglichen wird. Im gesamten Brennstoffzellensystem liegt dann Wasserstoff vor, sodass das Eindringen von Sauerstoff verhindert oder zumindest minimiert und über eine vergleichsweise lange Zeit hinausgezögert werden kann.After the drying of the fuel cell system 1 is done, what again in analogy to the representation in 1 a water content determination device 24 could be present, this is to simplify the illustration in 2 however, not shown, the connection of the vacuum line 19 with the vacuum pump 21 through the three-way valve 29 closed accordingly. After that, the fuel cell system becomes 1 filled with hydrogen, which for example from that in the 2 not shown compressed gas storage 11 could come. It would also be conceivable, again the only partially shown line 13 to be used as a storage container. In the presentation of the 2 In addition, an alternative variant is shown in which in conjunction with the recirculation line 16 an additional independent of the compressed gas storage 11 trained storage container 30 is arranged, which via a supply line 31 with a valve device 32 with the recirculation line 16 connected is. When the valve device is open 32 during operation of the fuel cell system 1 can the reservoir 30 doing so with fuel at the pressure level of the fuel cell system 1 fill and after turning off the fuel cell system 1 is achieved by closing the valve device 32 the fuel in the reservoir 30 stored. After drying, the valve device 32 then open again so that the fuel from the reservoir 30 through the supply line 31 in the recirculation line 16 flows and over the connection line with open connection valve 28 throughout the fuel cell system 1 spreads, so that the hitherto prevailing negative pressure is compensated by the influx of fuel. Hydrogen is present in the entire fuel cell system, so that the penetration of oxygen can be prevented or at least minimized and can be delayed over a relatively long time.

Die in den 1 und 2 dargestellten Ideen lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren und sollen jeweils einzelne Aspekte der Erfindung beleuchten, welche sowohl in dem in 1 gezeigten Aufbau als auch in dem in 2 gezeigten Aufbau bei Bedarf weggelassen oder ergänzt werden können.The in the 1 and 2 Ideas presented here can be combined as desired with each other and should in each case illuminate individual aspects of the invention, which can be found both in the in 1 shown construction as well as in the 2 construction shown can be omitted or supplemented if necessary.

Dasselbe gilt für den nachfolgend anhand der 3 dargestellten Aufbau. Dieser zeigt wiederum alle bisher aus der Darstellung der 2 bekannten Komponenten, mit Ausnahme der Verbindungsleitung 27 und dem Vorratsbehälter 30. Stattdessen befindet sich ein weiterer Vorratsbehälter 33 in Strömungsrichtung der Unterdruckpumpe 21 nach dieser. Die Verbindung zwischen der Unterdruckleitung 19 und der Unterdruckpumpe 21 erfolgt auch hier wieder über das Dreiwegeventil 29. Zusätzlich ist eine Bypassleitung 34 mit einem Bypassventil 35 um die Unterdruckpumpe 21 vorgesehen. Letztlich ist außerdem eine Abblasleitung 36 mit einer Ventileinrichtung 37 nach der Unterdruckpumpe 21 parallel zu dem Vorratsbehälter 33 angeordnet. Der hier beschriebene Aufbau funktioniert dabei insbesondere dann sehr gut, wenn analog zur Darstellung in 1 lediglich die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 über Unterdruck getrocknet wird. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 befindet sich in der Anodenseite weiterhin Wasserstoff. Dieser gelangt bei entsprechender Stellung des Dreiwegeventils 29 über die Unterdruckpumpe 21 in den Vorratsbehälter 33. Er wird also aus der Brennstoffzelle 3 entsprechend abgesaugt und in den Vorratsbehälter 33 geleitet.The same applies to the following with reference to 3 shown construction. This in turn shows all from the presentation of the 2 known components, with the exception of the connecting line 27 and the reservoir 30 , Instead, there is another reservoir 33 in the flow direction of the vacuum pump 21 after this. The connection between the vacuum line 19 and the vacuum pump 21 takes place here again on the three-way valve 29 , In addition, there is a bypass line 34 with a bypass valve 35 around the vacuum pump 21 intended. Finally, there is also a discharge line 36 with a valve device 37 after the vacuum pump 21 parallel to the reservoir 33 arranged. This here The structure described here works very well in particular if, analogously to the illustration in FIG 1 only the anode side of the fuel cell system 1 is dried by vacuum. When parking the fuel cell system 1 there is still hydrogen in the anode side. This arrives at appropriate position of the three-way valve 29 via the vacuum pump 21 in the reservoir 33 , So he will be out of the fuel cell 3 sucked out accordingly and in the reservoir 33 directed.

Im regulären Betrieb des Fahrzeugs 2, wenn über die Unterdruckpumpe 21 der Bremskraftverstärker 22 mit Unterdruck versorgt wird, ist der Vorratsbehälter 33 typischerweise leer, und bei geöffneter Ventileinrichtung 37 kann das von der Unterdruckpumpe 21 abgesaugte Gas über die Abblasleitung 36 in die Umgebung abgeführt werden. Wird über das Dreiwegeventil 29 auf Trocknen des Brennstoffzellensystems 1 umgeschaltet, dann muss parallel dazu die Ventileinrichtung 37 entsprechend geschlossen werden, sodass, wie oben beschrieben, das wasserstoffhaltige Abgas in dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle und der Rezirkulationsleitung 16 sowie dem Wasserabscheider 17 in den Vorratsbehälter 33 gesaugt werden kann. Nachdem das Trocknen abgeschlossen ist, wofür wiederum analog zur Darstellung in 1 die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 vorhanden sein kann, in der Darstellung der 3 jedoch nicht dargestellt ist, wird dann entsprechend umgeschaltet, wobei bei angehaltener Unterdruckpumpe 21 über den Bypass 34 und das Bypassventil 35 um die Unterdruckpumpe 21 wasserstoffhaltiges Abgas aus dem Vorratsbehälter 33, in welchem dieses abgesaugt worden ist, über die Unterdruckleitung 19 zurückströmen und die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 mit diesem wasserstoffhaltigen und sauerstofffreien Gasgemisch befüllen kann, um den Unterdruck auszugleichen.In regular operation of the vehicle 2 if over the vacuum pump 21 the brake booster 22 is supplied with negative pressure, is the reservoir 33 typically empty, and with the valve open 37 can that from the vacuum pump 21 extracted gas via the discharge line 36 be discharged into the environment. Will via the three-way valve 29 on drying the fuel cell system 1 switched, then must parallel to the valve device 37 be closed accordingly, so that, as described above, the hydrogen-containing exhaust gas in the anode compartment 4 the fuel cell and the recirculation line 16 as well as the water separator 17 in the reservoir 33 can be sucked. After the drying is complete, what again in analogy to the representation in 1 the water content determination device 24 may be present in the representation of 3 However, not shown, is then switched accordingly, with stopped vacuum pump 21 over the bypass 34 and the bypass valve 35 around the vacuum pump 21 Hydrogen-containing exhaust gas from the reservoir 33 , in which this has been sucked off, via the vacuum line 19 back flow and the anode side of the fuel cell system 1 can fill with this hydrogen-containing and oxygen-free gas mixture to compensate for the negative pressure.

Prinzipiell kann es dabei passieren, dass Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit mit in den Vorratsbehälter 33 gelangt. Um ein Zurückströmen von Wasser und Feuchtigkeit in den Anodenraum 4 des Brennstoffzellensystems 1 zu verhindern kann es deshalb sinnvoll sein, dass im Bereich des Vorratsbehälters 33, und hier insbesondere in seinem im bestimmungsgemäßen Einsatz unten liegenden Bereich, eine Ventileinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet ist, über welche zumindest flüssiges Wasser abgelassen werden kann.In principle, it can happen that water or moisture with in the reservoir 33 arrives. To a back flow of water and moisture in the anode compartment 4 of the fuel cell system 1 To prevent it may therefore be useful that in the area of the reservoir 33 , And here in particular in its intended use at the bottom area, a valve device (not shown) is arranged, via which at least liquid water can be discharged.

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Claims (12)

Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) in einem Fahrzeug (2), wozu nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle (3) die Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems mittels Anlegen eines Unterdrucks getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trocknen die Anodenseite und/oder die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems (1) mit Brennstoff gefüllt wird.Method for preparing the restart of a fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ) in a vehicle ( 2 ), after which the electric power is removed from the fuel cell ( 3 ) Is dried, the anode side and / or cathode side of the fuel cell system by applying a vacuum, characterized in that (after drying the anode side and / or the cathode side of the fuel cell system 1 ) is filled with fuel. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen mittels Unterdruck so lange erfolgt, bis ein vorgegebener Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem (1) unterschritten wird.A method according to claim 1, characterized in that the drying by means of negative pressure takes place until a predetermined water content in the fuel cell system ( 1 ) is fallen below. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem (1) mittels einer Wassergehaltsbestimmungseinrichtung (24) aus einem oder mehreren Messwerten erfasst und mit dem vorgegebenen Wassergehalt verglichen wird.A method according to claim 2, characterized in that the water content (in the fuel cell system 1 ) by means of a water content determination device ( 24 ) is recorded from one or more measured values and compared with the predetermined water content. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung (24) Wechselstromwiderstandsmessungen, Impedanzmessungen und/oder Feuchtemessungen nutzt.Method according to claim 3, characterized in that the water content determination device ( 24 ) Uses AC resistance measurements, impedance measurements and / or humidity measurements. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Trocknens vorhandene Heizeinrichtungen in dem Brennstoffzellensystem (1) zumindest teilweise betrieben werden.A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that (in the fuel cell system during the drying existing heaters 1 ) are at least partially operated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Unterdrucks eine Unterdruckpumpe (21) verwendet wird, welche im regulären Betrieb des mit dem Brennstoffzellensystem (1) ausgestatteten Fahrzeugs (2) andere Funktionen in dem Fahrzeug (2) übernimmt, insbesondere im Bereich eines Bremskraftverstärkers (22) eingesetzt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that for generating the negative pressure, a vacuum pump ( 21 ), which in regular operation of the fuel cell system ( 1 ) equipped vehicle ( 2 ) other functions in the vehicle ( 2 ), especially in the area of a brake booster ( 22 ) is used. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckpumpe (21) nach dem Trocknen ohne Verbindung zur Anodenseite und Kathodenseite des Brennstoffzellensystems (1) nachläuft.Method according to claim 6, characterized in that the vacuum pump ( 21 ) after drying without connection to the anode side and cathode side of the fuel cell system ( 1 ) runs after. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff aus einem von einem Speichervolumen (11) für den Brennstoff verschiedenen Vorratsbehälter (13, 30, 33) zum Füllen des Brennstoffzellensystems (1) nach dem Trocknen verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that fuel from one of a storage volume ( 11 ) for the fuel different reservoir ( 13 . 30 . 33 ) for filling the fuel cell system ( 1 ) is used after drying. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorratsbehälter (13, 30, 33) ein Teil der Zufuhrleitungen (13) für den Brennstoff genutzt wird.A method according to claim 8, characterized in that as a reservoir ( 13 . 30 . 33 ) a part of the supply lines ( 13 ) is used for the fuel. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (13, 30, 33) während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (1) oder durch abgesaugten Brennstoff aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems (1) beim Trocknen befüllt wird.Method according to claim 8 or 9, characterized in that the storage container ( 13 . 30 . 33 ) during operation of the fuel cell system ( 1 ) or by extracted fuel from the anode side of the fuel cell system ( 1 ) is filled while drying. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllen des Brennstoffzellensystems (1) mit Brennstoff erfolgt, bevor sich der Unterdruck in dem Brennstoffzellensystem (1) nach dem Trocknen vollständig abgebaut hat.A method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the filling of the fuel cell system ( 1 ) takes place with fuel before the negative pressure in the fuel cell system ( 1 ) has completely degraded after drying. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite immer unter 1,5 bar, vorzugsweise 1 bar, besonders bevorzugt 0,5 bar, gehalten wird.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that a pressure difference between the anode side and the cathode side is always under 1.5 bar, preferably 1 bar, more preferably 0.5 bar, is maintained.
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