DE102021115089A1

DE102021115089A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell

Info

Publication number: DE102021115089A1
Application number: DE102021115089.2A
Authority: DE
Inventors: Nico Alexander Mattes; Jürgen Remmlinger; Hanna Östreicher
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel (2) sowie eine kathodenseitige Luftführung, welche einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Strömungspfad (10, 13) aufweist, wobei in mindestens einem dieser Strömungspfade (10, 13) ein Ventil (9, 12, 15, 16) angeordnet ist, welches zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom unter Offenhaltung des Strömungspfades (10, 13) ausgebildet ist.A fuel cell system comprises a fuel cell stack (2) and an air duct on the cathode side, which has an inlet-side and an outlet-side flow path (10, 13), with a valve (9, 12, 15, 16) being arranged in at least one of these flow paths (10, 13). which is designed to impress an oscillating signal on the air flow while keeping the flow path (10, 13) open.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches einen Brennstoffzellenstapel sowie Mittel zur Führung von Fluiden umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell system which includes a fuel cell stack and means for guiding fluids. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell.

In einer Brennstoffzelle, insbesondere PEM-Brennstoffzelle, entsteht auf der Kathodenseite aus Sauerstoff und Protonen, welche die Membran der Brennstoffzelle durchdringen, Wasser. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle unterhalb der Siedetemperatur von Wasser, wie bei PEM-Brennstoffzellen üblich, fällt das Wasser teilweise in flüssiger Form an. Abgesehen von der Entstehung von Wasser beim Betrieb der Brennstoffzelle kann auch eine gezielte Befeuchtung der Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang wird auf folgende Dissertation hingewiesen:

Untersuchung zum Wasserhaushalt von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen; Alexander Hakenjos, 14.09.2006; Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Fakultät für Mathematik und Physik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

In a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, water is formed on the cathode side from oxygen and protons, which penetrate the membrane of the fuel cell. When a fuel cell is operated below the boiling temperature of water, as is usual with PEM fuel cells, the water is partly in liquid form. Aside from the formation of water during operation of the fuel cell, targeted humidification of the cathode side of the fuel cell can also be provided. In this context, reference is made to the following dissertation:

Investigation of the water balance of polymer electrolyte membrane fuel cells; Alexander Hakenjos, 09/14/2006; Dissertation to obtain a doctoral degree from the Faculty of Mathematics and Physics at the Albert-Ludwigs-University of Freiburg im Breisgau

Der Austrag von Wasser aus Brennstoffzellen kann durch akustische Wellen beeinflusst werden. Ein entsprechender Versuchsaufbau ist in folgender Veröffentlichung beschrieben:

Enhanced Water Removal from PEM Fuel Cells Using Acoustic Pressure Waves; Mehdi Mortazavi, Anthony D. Santamaria, Jingru Z. Benner and Vedang Chauhan; Journal of The Electrochemical Society 166 (7) F3143 (2019)

The discharge of water from fuel cells can be influenced by acoustic waves. A corresponding test setup is described in the following publication:

Enhanced Water Removal from PEM Fuel Cells Using Acoustic Pressure Waves; Mehdi Mortazavi, Anthony D Santamaria, Jingru Z Benner and Vedang Chauhan; Journal of The Electrochemical Society 166 (7) F3143 (2019)

Das Dokument US 6,093,502 A hat gezielte Druckvariationen beim Betrieb einer Brennstoffzelle zum Gegenstand. Zur Erzeugung der Druckvariationen wird in dem genannten Dokument die Verwendung einer Pumpe des Typs GAST MOA-P125-JH empfohlen.The document US 6,093,502A deals with targeted pressure variations during the operation of a fuel cell. To generate the pressure variations, the use of a GAST MOA-P125-JH type pump is recommended in the document mentioned.

Ein in der US 9,147,896 B2 beschriebenes Brennstoffzellensystem sieht die gezielte Variation eines Drucks auf der Anodenseite der Brennstoffzelle vor. Hierbei befindet sich ein Drucksensor zwischen einem Ventil in einer Wasserstoffleitung und einem Brennstoffzellenstapel, der kurz als Stack bezeichnet wird. Der Drucksensor ist ebenso wie ein am Stack befindlicher Spannungssensor mit einem Controller verknüpft, der das genannte Ventil ansteuert.An Indian US 9,147,896 B2 The fuel cell system described provides for the targeted variation of a pressure on the anode side of the fuel cell. Here, a pressure sensor is located between a valve in a hydrogen line and a fuel cell stack, which is referred to as a stack for short. Like a voltage sensor on the stack, the pressure sensor is linked to a controller that controls the valve.

Ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystem ist in der EP 3 018 744 B1 beschrieben. Hierbei wird davon ausgegangen, dass ein Betrieb einer Brennstoffzelle mit pulsierendem Anodengasdruck prinzipiell bekannt ist.Another method for controlling a fuel cell system is in EP 3 018 744 B1 described. It is assumed here that operation of a fuel cell with pulsating anode gas pressure is known in principle.

In einem in der DE 10 2005 023 131 B4 beschriebenen Brennstoffzellensystem soll eine Fluidströmungspulsation für eine erhöhte Stabilität in PEM-Brennstoffzellen sorgen. Hierbei ist eine Kathodendurchflusssteuerung mit Regler für den Reaktanden-Zufluss vorgesehen, wobei in die Regelung eine gemessene Fluidtemperatur eingeht.In one in the DE 10 2005 023 131 B4 The fuel cell system described is intended to provide a fluid flow pulsation for increased stability in PEM fuel cells. In this case, a cathode flow control with a controller for the reactant inflow is provided, with a measured fluid temperature being included in the control.

Die DE 10 2019 203 050 A1 befasst sich mit dem Betrieb von Brennstoffzellen bei Temperaturen unter 0° Celsius. Als Maßnahme gegen Eisblockaden werden Vibrationen an wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems empfohlen.the DE 10 2019 203 050 A1 deals with the operation of fuel cells at temperatures below 0° Celsius. Vibrations on at least one component of the fuel cell system are recommended as a measure against ice blockages.

Ein in der DE 10 2005 029 257 B4 beschriebenes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sieht das intermittierende Öffnen und Schließen eines Ventils vor, um den Partialdruck des Sauerstoffs im Brennstoffzellensystem zu erhöhen.An Indian DE 10 2005 029 257 B4 The method described for operating a fuel cell system provides for the intermittent opening and closing of a valve in order to increase the partial pressure of the oxygen in the fuel cell system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Brennstoffzellen gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich ihres Wasserhaushalts weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und stabilem Betrieb angestrebt wird.The invention is based on the object of further developing fuel cells compared to the prior art with regard to their water balance, with a particularly favorable ratio between the outlay on equipment and stable operation being sought.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Brennstoffzellensystem, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a fuel cell system having the features of claim 1. The object is also achieved by a method for operating a fuel cell according to claim 6. The configurations and advantages of the invention explained below in connection with the operating method also apply to the device , i.e. the fuel cell system, and vice versa.

Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel sowie eine kathodenseitige Luftführung, welche einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Strömungspfad aufweist, wobei in mindestens einem dieser Strömungspfade ein Ventil angeordnet ist, welches zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom unter Offenhaltung des Strömungspfades ausgebildet ist.The fuel cell system comprises a fuel cell stack and an air duct on the cathode side, which has an inlet-side and an outlet-side flow path, with a valve being arranged in at least one of these flow paths, which is designed to impress an oscillation signal on the air flow while keeping the flow path open.

Zur Generierung des Schwingungssignals wird damit ein Ventil verwendet, welches eine Absperrfunktion hat. Das Ventil kann sich auf der Eingangsseite oder auf der Ausgangsseite der Brennstoffzelle befinden. Ebenso kann sich sowohl im eingangsseitigen Strömungspfad als auch im ausgangsseitigen Strömungspfad jeweils ein Ventil befinden, welches zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom ausgebildet ist, welcher die Kathodenseite der Brennstoffzelle durchströmt. Die genannten Ventile können entweder synchron oder phasenversetzt zueinander angesteuert werden.A valve that has a shut-off function is used to generate the vibration signal. The valve can be located on the input side or on the output side of the fuel cell. Likewise, a valve can be located both in the flow path on the inlet side and in the flow path on the outlet side, which valve is designed to impress an oscillation signal on the air flow which flows through the cathode side of the fuel cell flows. The valves mentioned can be controlled either synchronously or out of phase with one another.

Das mindestens eine Ventil, mit welchem ein definiertes Schwingungssignal erzeugt wird, kann elektromechanisch betätigbar sein. Dies bedeutet, dass ein elektrisches Signal in eine Schwingung eines gasförmigen Mediums umgesetzt wird. Hinsichtlich prinzipiell möglicher Bauformen elektromechanisch betätigter Ventile, Stelleinrichtungen und Aktuatoren wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2019 217 018 A1 , DE 10 2005 033 601 B4 und DE 103 49 379 A1 hingewiesen.The at least one valve, with which a defined vibration signal is generated, can be actuated electromechanically. This means that an electrical signal is converted into a vibration of a gaseous medium. With regard to possible structural forms of electromechanically actuated valves, control devices and actuators, examples are given in the documents DE 10 2019 217 018 A1 , DE 10 2005 033 601 B4 and DE 103 49 379 A1 pointed out.

Gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltung befindet sich mindestens ein Ventil des Brennstoffzellensystems in einem ungeteilten Strömungspfad. Dies bedeutet, dass der entsprechende Strömungspfad mit diesem Ventil abstellbar ist. Das Ventil ist damit als Regelventil und Absperrventil sowie als Ventil zur Generierung von Schwingungen, die in den Luftstrom der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems eingebracht werden, ausgebildet.According to a first possible configuration, at least one valve of the fuel cell system is located in an undivided flow path. This means that the corresponding flow path can be shut off with this valve. The valve is thus designed as a control valve and shut-off valve and as a valve for generating vibrations that are introduced into the air flow on the cathode side of the fuel cell system.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung befindet sich das zur Aufprägung von Schwingungen auf den Luftstrom vorgesehene Ventil in einem Strömungs-Bypass des entsprechenden Strömungspfades. Auch in diesem Fall kann sich das Ventil entweder auf der Eingangsseite oder auf der Ausgangsseite der kathodenseitigen Luftführung befinden. Ebenso kann sich jeweils ein solches Bypass-Ventil im eingangsseitigen sowie im ausgangsseitigen Strömungspfad befinden. Im Vergleich zu einem Ventil, welches zur Absperrung des Strömungspfades geeignet ist, kann das Bypass-Ventil vergleichsweise klein dimensioniert sein, was auch im Sinne einer schnellen Verstellbarkeit von Vorteil ist.According to an alternative embodiment, the valve provided for impressing vibrations on the air flow is located in a flow bypass of the corresponding flow path. In this case, too, the valve can be located either on the inlet side or on the outlet side of the cathode-side air duct. Such a bypass valve can also be located in the flow path on the inlet side and in the outlet side. In comparison to a valve which is suitable for shutting off the flow path, the bypass valve can be dimensioned comparatively small, which is also advantageous in terms of rapid adjustability.

Die Bypass-Ventile können insbesondere Schwingungen im Luftstrom erzeugen, indem sie periodisch vollständig geschlossen und geöffnet werden. Der Strömungs-Bypass, in welchem ein Bypass-Ventil angeordnet ist, weist beispielsweise einen Strömungsquerschnitt auf, welcher mindestens 2% und höchstens 25% des Gesamtquerschnitts des Strömungspfades, welchem das Ventil zuzurechnen ist, beträgt.In particular, the bypass valves can generate vibrations in the air flow by being periodically fully closed and opened. The flow bypass, in which a bypass valve is arranged, has, for example, a flow cross section which is at least 2% and at most 25% of the total cross section of the flow path to which the valve is assigned.

Unabhängig davon, ob sich das zur Schwingungsgenerierung genutzte Ventil in einem Bypass oder in einem ungeteilten Strömungspfad befindet, ist die Brennstoffzelle betreibbar, indem durch das entsprechende Ventil bei Offenhaltung des Strömungspfades ein derartiges Schwingungssignal erzeugt wird, dass damit Wassertropfen, welche sich auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle befinden, in Schwingungen versetzt werden, womit der Wasseraustrag aus der Brennstoffzelle unterstützt wird. Gemäß verschiedener möglicher Verfahrensführungen beaufschlagt das Ventil den Luftstrom mit einer Frequenz von mindestens 20 Hz und maximal 140 Hz, insbesondere mit einer Frequenz von 80 ± 20 Hz.Irrespective of whether the valve used to generate vibrations is in a bypass or in an undivided flow path, the fuel cell can be operated in that the corresponding valve generates such a vibration signal when the flow path is kept open that water droplets that are on the cathode side of the Fuel cell are set to vibrate, which supports the water discharge from the fuel cell. According to various possible procedures, the valve applies the air flow with a frequency of at least 20 Hz and a maximum of 140 Hz, in particular with a frequency of 80 ± 20 Hz.

Die durch das Ventil vorgenommene Schwingungsanregung ist mit einer Regelung desselben Ventils, mit welcher der Massenstrom geregelt wird, überlagerbar, sofern sich das Ventil in einem ungeteilten Strömungspfad befindet. Im Fall einer Anordnung des Ventils in einem Bypass ist dagegen in einem parallelen Zweig, das heißt Hauptzweig, des Strömungspfades ein gesondertes Regelventil anordenbar. Ebenso kann ein Regelventil in einem ungeteilten Abschnitt des betreffenden Strömungspfades, insbesondere in einem dem geteilten Abschnitt des Strömungspfades in Strömungsrichtung vorgelagerten Abschnitt, angeordnet sein. Bei dem Ventil zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom kann es sich insbesondere um ein mechatronisch vollvariables Ventil handeln.The vibration excitation carried out by the valve can be superimposed with a regulation of the same valve, with which the mass flow is regulated, provided that the valve is in an undivided flow path. If the valve is arranged in a bypass, on the other hand, a separate control valve can be arranged in a parallel branch, that is to say the main branch, of the flow path. A control valve can also be arranged in an undivided section of the relevant flow path, in particular in a section upstream of the divided section of the flow path in the direction of flow. The valve for impressing an oscillation signal on the air flow can in particular be a fully variable mechatronic valve.

Die Ventile, welche Schwingungen auf den Luftstrom aufprägen, können in raumsparender Weise innerhalb eines Gehäuses des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Unabhängig von der Anordnung der Ventile oder des einzigen Ventils, welches die Schwingungsanregung bewirkt und damit zum Wasseraustrag beiträgt, kann eine Zuschaltung der Schwingungsanregung zum Beispiel bei starken Schwankungen der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels oder einzelner Brennstoffzellen vorgesehen sein.The valves, which impart vibrations to the air flow, can be arranged in a space-saving manner within a housing of the fuel cell stack. Irrespective of the arrangement of the valves or of the single valve that causes the vibration excitation and thus contributes to the water discharge, the vibration excitation can be switched on, for example in the event of strong fluctuations in the electrical output of the fuel cell stack or individual fuel cells.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems in schematisierter Darstellung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems,
3 ein Detail eines Brennstoffzellensystems in einem ersten Betriebszustand,
4 das Detail nach 3 in einem zweiten Betriebszustand,
5 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Stromdichte und Zellspannung bei einem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems sowie bei einem nicht beanspruchten Vergleichsbeispiel.

Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:

1 a first embodiment of a fuel cell system in a schematic representation,
2 a second embodiment of a fuel cell system,
3 a detail of a fuel cell system in a first operating state,
4 the detail after 3 in a second operating state,
5 in a diagram the relationship between current density and cell voltage in an exemplary embodiment of the fuel cell system and in a non-claimed comparative example.

Die folgenden Erläuterungen gelten, soweit nicht anders angegeben, für beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations apply to both exemplary embodiments. Corresponding or principled parts that function in the same way are marked with the same reference symbols in all figures.

Ein Brennstoffzellensystem 1, welches für eine mobile oder eine stationäre Anwendung vorgesehen sein kann, umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, welcher kurz auch als Stack bezeichnet wird. Das Brennstoffzellensystem 1 wird mit Wasserstoff betrieben und umfasst zu diesem Zweck einen Wasserstofftank 3, der über Leitungen 4 mit dem Stack 2 verbunden ist. Der Wasserstoff wird bekanntermaßen der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt und im vorliegenden Fall teilweise rezirkuliert. Eine zur Förderung des Wasserstoffs vorgesehene Freistrahlpumpe ist mit 6, eine Absperrarmatur mit 5 bezeichnet. Zur Rezirkulation des Wasserstoffs kann auch eine aktive Rezirkulationspumpe verwendet werden.A fuel cell system 1, which can be provided for a mobile or stationary application, includes a fuel cell stack 2, which is also referred to as a stack for short. The fuel cell system 1 is operated with hydrogen and for this purpose comprises a hydrogen tank 3 which is connected to the stack 2 via lines 4 . As is known, the hydrogen is supplied to the anode side of the fuel cell stack 2 and in the present case is partially recirculated. A free-jet pump provided for conveying the hydrogen is denoted by 6 and a shut-off valve by 5 . An active recirculation pump can also be used to recirculate the hydrogen.

Der Kathodenseite einer jeden Brennstoffzelle des Stacks 2 wird Luft zugeführt. Ein Luftverdichter ist mit 7 bezeichnet, eine hieran angeschlossene Leitung mit 8. Der Luftverdichter 7 befindet sich in einem eingangsseitigen Strömungspfad 10. Ein ausgangsseitiger Strömungspfad ist mit 13 bezeichnet. Ein Controller 11 ist mit Ventilen 9, 12, 15, 16 beider Strömungspfade 10, 13 sowie mit einer Sensorik am Brennstoffzellenstapel 2, die einen Spannungssensor 30 umfasst, verbunden. Die Ventile 9, 12, 15, 16 sind durch Aktuatoren 29 betätigbar und befinden sich in den vorliegenden Fällen innerhalb eines mit 18 bezeichneten Gehäuses des Brennstoffzellenstapels 2.Air is supplied to the cathode side of each fuel cell of the stack 2 . An air compressor is denoted by 7, and a line connected thereto by 8. The air compressor 7 is located in an inlet-side flow path 10. An outlet-side flow path is denoted by 13. A controller 11 is connected to valves 9 , 12 , 15 , 16 of both flow paths 10 , 13 and to a sensor system on the fuel cell stack 2 , which includes a voltage sensor 30 . The valves 9, 12, 15, 16 can be actuated by actuators 29 and are located in the present cases within a housing of the fuel cell stack 2, which is denoted by 18.

Mittels der Ventile 9, 12, 15, 16 werden Schwingungen in den Luftstrom eingebracht. Die Schwingungen haben eine Frequenz von 80 ± 20 Hz und unterstützen maßgeblich die Wasserabfuhr vom Brennstoffzellenstapel 2. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass durch die Schwingung der auf der Kathodenseite des Brennstoffzellestapels 2 befindlichen Luft Eigenschwingungen von Wassertropfen angeregt werden. Darüber hinaus übertragen sich die Schwingungen auch auf die Anodenseite, so dass es auch hier zu einer Loslösung von Wassertropfen kommt.By means of the valves 9, 12, 15, 16 vibrations are introduced into the air flow. The vibrations have a frequency of 80±20 Hz and significantly support the removal of water from the fuel cell stack 2. This is due in particular to the fact that the vibration of the air on the cathode side of the fuel cell stack 2 excites natural vibrations from water droplets. In addition, the vibrations are also transmitted to the anode side, so that water droplets are also released here.

In der Ausgestaltung nach 1 wird der gesamte Luftstrom des eingangsseitigen Strömungspfades 10 durch das Ventil 9 geleitet, welches in diesem Fall sowohl zur Aufprägung von Schwingungen als auch zur Regelung des Massenstroms genutzt wird. In analoger Weise befindet sich auch im ausgangsseitigen Strömungspfad 13 ein einziges Ventil 12, welches in der gleichen Weise eine Doppelfunktion wahrnimmt. Die Amplitude der Ventile 9, 12, mit welcher die Schwingungen generiert werden, ist klein im Vergleich zum gesamten, zwischen der Offenstellung und Geschlossenstellung gegebenen Hub der Ventile 9, 12.According to the design 1 the entire air flow of the flow path 10 on the inlet side is conducted through the valve 9, which in this case is used both for imparting vibrations and for regulating the mass flow. In an analogous manner, there is also a single valve 12 in the flow path 13 on the outlet side, which performs a dual function in the same way. The amplitude of the valves 9, 12, with which the vibrations are generated, is small compared to the total stroke of the valves 9, 12 between the open position and the closed position.

Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 befinden sich im Ausführungsbeispiel nach 2 Ventile 15, 16, die zur Schwingungserzeugung genutzt werden, in einem eingangsseitigen Strömungs-Bypass 14 beziehungsweise einem ausgangsseitigen Strömungs-Bypass 17. Der Strömungs-Bypass 14, 17 ist hierbei dem eingangsseitigen Strömungspfad 10 beziehungsweise dem ausgangsseitigen Strömungspfad 13 zuzurechnen. Die Regelung des Luftmassenstroms wird in diesem Fall durch zusätzliche Regelungsventile an sich bekannter Bauart übernommen. Der Querschnitt des Strömungs-Bypass 14, 17 beträgt mindestens 2%, jedoch nicht mehr als 25 % des Gesamtquerschnitts des jeweiligen Strömungspfades 10, 13. Der dem Strömungs-Bypass 14, 17 parallel geschaltete Hauptzweig des betreffenden Strömungspfades 10, 13 ist mit 19, 20 bezeichnet.In contrast to the embodiment according to 1 are located in the embodiment 2 Valves 15, 16, which are used to generate vibrations, in a flow bypass 14 on the inlet side or a flow bypass 17 on the outlet side. In this case, the control of the air mass flow is taken over by additional control valves of a type known per se. The cross section of the flow bypass 14, 17 is at least 2%, but not more than 25% of the total cross section of the respective flow path 10, 13. 20 denoted.

Bei den Ventilen 15, 16 des Brennstoffzellensystems 1 nach 2 handelt es sich um Armaturen, die ausschließlich zwischen ihrer Offenstellung und ihrer Geschlossenstellung hin und her geschaltet werden. Entsprechend der Frequenz des aufgeprägten Schwingungssignals wird jedes Ventil 15, 16 somit pro Sekunde 80±20-mal geöffnet und 80±20-mal geschlossen. Die Anzahl von 160±40 Schaltvorgängen pro Sekunde sorgt für eine Überlagerung der aufgeprägten Schwingung mit Oberschwingungen. Positiver Effekt dieser Oberschwingungen ist, dass auch besonders kleine Wassertröpfchen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 mobilisiert werden und damit unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden Feuchtigkeit aus dem Stack 2 ausgeleitet werden können.At the valves 15, 16 of the fuel cell system 1 after 2 are fittings that are only switched back and forth between their open position and their closed position. Depending on the frequency of the impressed vibration signal, each valve 15, 16 is thus opened 80±20 times per second and closed 80±20 times. The number of 160±40 switching operations per second ensures that the applied oscillation is overlaid with harmonics. A positive effect of these harmonics is that even particularly small water droplets are mobilized within the fuel cell stack 2 and can thus be discharged from the stack 2 while maintaining sufficient moisture.

Details des Brennstoffzellenstapels 2 sind in den 3 und 4 skizziert. Die 3 und 4 beziehen sich sowohl auf die Anordnung nach 1 als auch auf die Anordnung nach 2. Hierbei veranschaulicht 3 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ohne Schwingungsbeaufschlagung des Luftpfades und 4 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 mit Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom. Die Kathodenseite, welche mit einem Schwingungssignal beaufschlagt wird, ist mit 21 bezeichnet. 22 bezeichnet die Anodenseite einer jeden Brennstoffzelle des Stacks 2. Die Kathodenseite 21 ist von Anodenseite 22 in an sich bekannter Weise durch eine Membran 24 getrennt, welche von Protonen durchdringbar ist. Die Protonen bilden auf der Kathodenseite 21 mit Sauerstoff und Elektronen Wasser, das in flüssiger Form ausgetragen werden muss. Wassertropfen verschiedener Form und Größe sind mit 27 bezeichnet. Die Wassertropfen 27 sind unter anderem in Gasdiffusionslagen 26, teilweise auch in Katalysatorlagen 25 zu finden.Details of the fuel cell stack 2 are in FIGS 3 and 4 sketched. the 3 and 4 refer both to the arrangement after 1 as well as according to the arrangement 2 . Here illustrated 3 the operation of the fuel cell system 1 without the air path being subjected to vibration and 4 the operation of the fuel cell system 1 with the imposition of an oscillation signal on the air flow. The cathode side to which an oscillation signal is applied is denoted by 21 . 22 designates the anode side of each fuel cell of the stack 2. The cathode side 21 is separated from the anode side 22 in a manner known per se by a membrane 24, which can be penetrated by protons. On the cathode side 21, the protons form water with oxygen and electrons, which has to be discharged in liquid form. Water droplets of various shapes and sizes are denoted by 27 . The water droplets 27 can be found, among other things, in gas diffusion layers 26 and sometimes also in catalyst layers 25 .

Das im Brennstoffzellensystem 1 umgesetzte Prinzip der Schwingungsaufprägung auf den Luftstrom kann auch bei anderen, hier nicht beschriebenen Designs der Aktivfläche einer Brennstoffzelle angewandt werden.The principle implemented in the fuel cell system 1 of impressing vibrations on the air current can also be applied to other designs of the active surface of a fuel cell that are not described here.

Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 entstehende Wärme wird zu einem großen Teil mit Hilfe von Bipolarplatten 23 abgeführt, welche jeweils eine Kathodenseite 21 einer Brennstoffzelle von der Anodenseite 22 der nächsten Brennstoffzelle im Stack 2 trennen. Jede Kathodenseite 21 und Anodenseite 22 wird auch als Halbzelle bezeichnet. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sind durch die Bipolarplatten 23 Kühlmittelkanäle 28 gebildet, welche von Wasser oder einem anderen Kühlmittel durchströmt werden.Heat generated during the operation of the fuel cell system 1 is largely dissipated with the aid of bipolar plates 23 which separate a cathode side 21 of a fuel cell from the anode side 22 of the next fuel cell in the stack 2 . Each cathode side 21 and anode side 22 is also referred to as a half-cell. To improve heat dissipation, the bipolar plates 23 form coolant channels 28 through which water or another coolant flows.

Im in 3 skizzierten Zustand haben die Wassertropfen 27 eine durch ihre Entstehung bedingte Form und werden teilweise durch den Luftstrom auf der Kathodenseite 21 mitgerissen. Der Vorgang des Mitreißens der Wassertropfen 27 wird in dem in 4 skizzierten Zustand signifikant dadurch verbessert, dass in der beschriebenen Weise Schwingungen auf den Luftstrom der Kathodenseite 21 aufgeprägt werden. Die Frequenz, mit der der Luftstrom mit Hilfe der Ventile 9, 12, 15, 16 zu Schwingungen angeregt wird, kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 gezielt variiert werden, um Wassertropfen 27 unterschiedlicher Größe zu Schwingungen im Bereich ihrer jeweiligen Eigenschwingung anzuregen. Die Schwingungsanregung auf der Kathodenseite 21 ist derart groß, dass, wie in 4 angedeutet ist, auch Wassertropfen 27 auf der Anodenseite 22 zu Schwingungen angeregt werden. Insgesamt wird die Schwingungsanregung derart eingestellt, dass sich der gewünschte Befeuchtungsgrad sowohl der Kathodenseite 21 als auch der Anodenseite 22 ergibt.in 3 In the sketched state, the water droplets 27 have a shape caused by their formation and are partially entrained by the air flow on the cathode side 21 . The process of entraining the water droplets 27 is described in 4 outlined state significantly improved in that vibrations are impressed on the air flow of the cathode side 21 in the manner described. The frequency at which the air flow is excited to oscillate with the aid of the valves 9, 12, 15, 16 can be specifically varied during operation of the fuel cell system 1 in order to excite water droplets 27 of different sizes to oscillate in the range of their respective natural oscillation. The vibration excitation on the cathode side 21 is so great that, as in 4 is indicated, water droplets 27 on the anode side 22 are also excited to oscillate. Overall, the excitation of vibrations is set in such a way that the desired degree of humidification of both the cathode side 21 and the anode side 22 results.

Der Zusammenhang zwischen der Stromdichte J und der Zellspannung U innerhalb des Stacks 2 ist in 5 dargestellt. Auch die 5 bezieht sich sowohl auf die Anordnung nach 1 als auch auf die Anordnung nach 2. Die Zellspannung U wird mit Hilfe des Sensors 30 gemessen, der ebenso wie die Aktuatoren 29, die die Ventile 9, 12, 15, 16 betätigen, datentechnisch mit dem Controller 11 verknüpft ist. Die in 5 als Messkurve MK bezeichnete Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen Stromdichte J und Zellspannung U bei Schwingungsanregung des Luftstroms auf der Kathodenseite 21, das heißt im Zustand nach 4. Eine zum Vergleich dargestellte Referenzkurve RK, die den Betrieb ohne Schwingungsanregung betrifft, zeigt die Überlegenheit des Betriebs mit Schwingungsanregung insbesondere bei hoher Stromdichte J.The relationship between the current density J and the cell voltage U within the stack 2 is in 5 shown. Also the 5 refers both to the arrangement after 1 as well as according to the arrangement 2 . The cell voltage U is measured with the aid of the sensor 30 which, like the actuators 29 which actuate the valves 9, 12, 15, 16, is linked to the controller 11 in terms of data technology. In the 5 The curve referred to as measurement curve MK shows the relationship between current density J and cell voltage U when the air flow is excited to vibrate on the cathode side 21, ie in the state shown in FIG 4 . A reference curve RK shown for comparison, which relates to operation without vibration excitation, shows the superiority of operation with vibration excitation, especially at high current density J.

BezugszeichenlisteReference List

11: Brennstoffzellensystemfuel cell system
22: Brennstoffzellenstapel, Stackfuel cell stack, stack
33: Wasserstofftankhydrogen tank
44: LeitungManagement
55: Absperrarmaturshut-off valve
66: Freistrahlpumpejet pump
77: Luftverdichterair compressor
88th: LeitungManagement
99: VentilValve
1010: eingangsseitiger Strömungspfadupstream flow path
1111: Controllercontrollers
1212: VentilValve
1313: ausgangsseitiger Strömungspfaddownstream flow path
1414: eingangsseitiger Strömungs-Bypassupstream flow bypass
1515: VentilValve
1616: VentilValve
1717: ausgangsseitiger Strömungs-Bypassdownstream flow bypass
1818: GehäuseHousing
1919: Hauptzweigmain branch
2020: Hauptzweigmain branch
2121: Kathodenseitecathode side
2222: Anodenseiteanode side
2323: Bipolarplattebipolar plate
2424: Membranmembrane
2525: Katalysatorlagecatalyst layer
2626: Gasdiffusionslagegas diffusion layer
2727: WassertropfenWaterdrop
2828: Kühlmittelkanalcoolant channel
2929: Aktuatoractuator
3030: Sensorsensor
JJ: Stromdichtecurrent density
Uu: Zellspannungcell voltage
MKMK: Messkurvemeasurement curve
RKRK: Referenzkurvereference curve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 6093502 A [0004]US6093502A [0004]
US 9147896 B2 [0005]US9147896B2 [0005]
EP 3018744 B1 [0006]EP 3018744 B1 [0006]
DE 102005023131 B4 [0007]DE 102005023131 B4 [0007]
DE 102019203050 A1 [0008]DE 102019203050 A1 [0008]
DE 102005029257 B4 [0009]DE 102005029257 B4 [0009]
DE 102019217018 A1 [0014]DE 102019217018 A1 [0014]
DE 102005033601 B4 [0014]DE 102005033601 B4 [0014]
DE 10349379 A1 [0014]DE 10349379 A1 [0014]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) sowie eine kathodenseitige Luftführung, welche einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Strömungspfad (10, 13) aufweist, wobei in mindestens einem dieser Strömungspfade (10, 13) ein Ventil (9, 12, 15, 16) angeordnet ist, welches zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom unter Offenhaltung des Strömungspfades (10, 13) ausgebildet ist.Fuel cell system, comprising a fuel cell stack (2) and an air duct on the cathode side, which has an inlet-side and an outlet-side flow path (10, 13), a valve (9, 12, 15, 16) being arranged in at least one of these flow paths (10, 13). which is designed to impress an oscillating signal on the air flow while keeping the flow path (10, 13) open.

Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ventil (9, 12) in einem ungeteilten Strömungspfad (10, 13) befindet.fuel cell system claim 1 , characterized in that the valve (9, 12) is in an undivided flow path (10, 13).

Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ventil (15, 16) in einem Strömungs-Bypass (14, 17) des Strömungspfades (10, 13) befindet, welcher einen Strömungsquerschnitt aufweist, der mindestens 2% und höchstens 25% des Gesamtquerschnitts des Strömungspfades (10, 13), welchem das Ventil (15, 16) zuzurechnen ist, beträgt.fuel cell system claim 1 , characterized in that the valve (15, 16) is in a flow bypass (14, 17) of the flow path (10, 13) which has a flow cross-section which is at least 2% and at most 25% of the total cross-section of the flow path ( 10, 13), to which the valve (15, 16) can be attributed.

Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich sowohl im eingangsseitigen Strömungspfad (10) als auch im ausgangsseitigen Strömungspfad (13) ein Ventil (9, 12, 15, 16) zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom befindet.Fuel cell system according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a valve (9, 12, 15, 16) for impressing an oscillation signal on the air flow is located both in the flow path (10) on the inlet side and in the flow path (13) on the outlet side.

Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (9, 12, 15, 16) zur Aufprägung eines Schwingungssignals auf den Luftstrom als mechatronisch vollvariables, insbesondere in einem Gehäuse (18) des Brennstoffzellenstapels (2) angeordnetes, Ventil ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that at least one valve (9, 12, 15, 16) for impressing an oscillation signal on the air flow is designed as a fully variable mechatronic valve, arranged in particular in a housing (18) of the fuel cell stack (2).

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, wobei durch mindestens ein auf einen Luftstrom einwirkendes Ventil (9, 12, 15, 16), welches sich in einem kathodenseitigen Strömungspfad (10, 13) befindet, unter Offenhaltung des Strömungspfades (10, 13) auf den Luftstrom ein Schwingungssignal aufgeprägt wird, mit welchem in der Brennstoffzelle befindliche Wassertropfen in Schwingungen versetzt werden.Method for operating a fuel cell, wherein at least one valve (9, 12, 15, 16) acting on an air flow, which is located in a flow path (10, 13) on the cathode side, while keeping the flow path (10, 13) open to the air flow an oscillation signal is impressed, with which water droplets located in the fuel cell are made to oscillate.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9, 12, 15, 16) den Luftstrom mit einer Frequenz von mindestens 20 Hz und maximal 140 Hz beaufschlagt.procedure after claim 6 , characterized in that the valve (9, 12, 15, 16) acts on the air flow with a frequency of at least 20 Hz and a maximum of 140 Hz.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Ventil (9, 12) vorgenommene Schwingungsanregung einer Regelung des Ventils (9, 12), mit welcher der Massenstrom durch das Ventil (9, 12) geregelt wird, überlagert ist.procedure after claim 6 or 7 , characterized in that the vibration excitation carried out by the valve (9, 12) is superimposed on a regulation of the valve (9, 12), with which the mass flow through the valve (9, 12) is regulated.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ventils (15, 16), welches zu diesem Zweck vollständig öffnet und schließt, ausschließlich Schwingungen in den Luftstrom eingebracht werden, wogegen die Durchflussregelung durch ein weiteres, demselben Strömungspfad (10, 13) zuzurechnendes Ventil erfolgt.procedure after claim 6 or 7 , characterized in that by means of the valve (15, 16), which opens and closes completely for this purpose, only vibrations are introduced into the air flow, whereas the flow rate is regulated by another valve assigned to the same flow path (10, 13).

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels jeweils eines Ventils (9, 12, 15, 16) Schwingungen auf den eingangsseitigen Strömungspfad (10) und auf den ausgangsseitigen Strömungspfad (13) phasenversetzt aufgeprägt werden.Procedure according to one of Claims 6 until 9 , characterized in that by means of a respective valve (9, 12, 15, 16) vibrations are imposed on the flow path (10) on the inlet side and on the flow path (13) on the outlet side with a phase offset.