DE102021208617A1 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für einen Verbraucher (20), insbesondere ein Fahrzeug (20), bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle (100) verstromt werden, wobei in einem Normalzustand (1) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode (120) der Brennstoffzelle (100) einstellt, und in einem Anforderungszustand (2) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode (120) einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration.Method for operating a fuel cell system (10) for a consumer (20), in particular a vehicle (20), in which a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant are converted into electricity in a fuel cell (100), in a normal state (1) the fuel cell (100) is operated and flushed in such a way that a normal operating concentration of the second reactant is established in an anode (120) of the fuel cell (100), and in a requirement state (2) the fuel cell (100) is operated and flushed in such a way is that a required concentration of the second reactant in the anode (120) is established, the required concentration being higher than the normal operating concentration.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle verstromt werden, wobei in einem Normalzustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode der Brennstoffzelle einstellt, und in einem Anforderungszustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration. Zudem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for operating a fuel cell system in which a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant are converted into electricity in a fuel cell, with the fuel cell being operated in a normal state and flushed in such a way that a normal operating concentration of the second reactant is set in an anode of the fuel cell, and the fuel cell is operated in a demand state and flushed in such a way that a demand concentration of the second reactant is set in the anode, the demand concentration being higher than the normal operating concentration. The invention also relates to a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Bei Brennstoffzellen kann es passieren, dass unerwünschte Gase wie beispielsweise Stickstoff von einer Elektrode zur anderen durch die Membran hindurch diffundieren. Beispielsweise befindet sich dann Kathodengas an der Anode und Anodengas an der Kathode. Dieser Effekt ist bereits seit längerem bekannt. Als eine bewährte Strategie hat sich ergeben, die Kathode bzw. Anode zu spülen. Dabei wird frisches, also weitestgehend reines, Gas zur Elektrode gegeben, wobei das hindurch diffundierte Gas verdrängt und zu einer Abluft gespült wird. Eine ständige Spülung der Elektroden würde jedoch dazu führen, dass ein sehr hoher Gasverbrauch entsteht. Daher werden Elektroden in der Regel zumindest teilweise in Rezirkulation betrieben, wobei das Gas, welches entlang eines Strömungspfades an der Elektrode entlang strömt, am Ende des Strömungspfades wieder zum Anfang des Strömungspfades der Elektrode zurückgeführt wird. In einem Normalbetrieb einer Brennstoffzelle wechseln sich demnach Rezirkulation und Spülung ab. Dabei kann die Steuerung, wann ein Rezirkulation und wann eine Spülung stattfindet, beispielsweise zeitgesteuert bzw. zeitdiskret erfolgen. Ebenfalls kann eine Steuerung energieoptimiert erfolgen, wobei insbesondere die benötigte Pumpleistung für die Rezirkulation und die von der Brennstoffzelle erzeugbare Leistung zur Bestimmung eines optimalen Wertes berücksichtigt werden.In fuel cells, unwanted gases such as nitrogen can diffuse from one electrode to the other through the membrane. For example, there is then cathode gas at the anode and anode gas at the cathode. This effect has been known for a long time. A tried and tested strategy has been found to flush the cathode or anode. In this case, fresh, ie, as far as possible pure, gas is fed to the electrode, with the gas that has diffused through being displaced and flushed to an exhaust air. However, constant flushing of the electrodes would result in very high gas consumption. Electrodes are therefore generally operated at least partially in recirculation, with the gas flowing along a flow path along the electrode being returned at the end of the flow path to the beginning of the flow path of the electrode. Accordingly, in normal operation of a fuel cell, recirculation and flushing alternate. The control of when recirculation and when flushing takes place can be time-controlled or time-discrete, for example. Control can also take place in an energy-optimized manner, with the pump power required for the recirculation and the power that can be generated by the fuel cell being taken into account in particular in order to determine an optimal value.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vor. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The present invention provides a method having the features of claim 1 and a fuel cell system having the features of claim 10. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für einen Verbraucher, insbesondere ein Fahrzeug, bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle verstromt werden, wobei in einem Normalzustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode der Brennstoffzelle einstellt, und in einem Anforderungszustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration, vorgesehen.According to a first aspect of the invention is a method for operating a fuel cell system for a consumer, in particular a vehicle, in which a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant are converted into electricity in a fuel cell, the fuel cell being operated in a normal state and is flushed in such a way that a normal operating concentration of the second reactant is set in an anode of the fuel cell, and the fuel cell is operated in a demand state and flushed in such a way that a demand concentration of the second reactant is set in the anode, the demand concentration being higher than the normal operating concentration , intended.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung funktioniert also so, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle neben dem Normalzustand ein weiterer Betriebsmodus im sogenannten Anforderungszustand vorgesehen ist, bei dem das Spülen und Rezirkulieren in der Anode nicht wie in dem Normalzustand beispielsweise energie- oder zeitoptimiert erfolgt, sondern an eine erhöhte Anforderung der Brennstoffzelle bzw. der Leistung der Brennstoffzelle angepasst ist.The method of the present invention works in such a way that during operation of the fuel cell, in addition to the normal state, another operating mode is provided in the so-called demand state, in which the flushing and recirculation in the anode is not carried out in an energy- or time-optimized manner, for example, as in the normal state, but to a increased requirement of the fuel cell or the performance of the fuel cell is adapted.

Der Anforderungszustand kann beispielsweise auftreten, wenn ein Benutzer mehr elektrische Leistung als gewöhnlich benötigt, und dabei einen erhöhten Verbrauch des Anodengases in Kauf nimmt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Anforderungszustand durch den Zustand der Brennstoffzelle selbst ausgelöst wird. Beispielsweise kann es bei einer Heißland-Bergfahrt, bei der einerseits die Kühlung limitiert ist und andererseits eine hohe Anforderung an die bereitgestellte elektrische Leistung gestellt wird, dazu kommen, dass im Normalzustand ein sogenanntes „Derating“ (also eine Drosselung der Abgabeleistung) der Brennstoffzelle nötig wird. Das kann durch den Anforderungszustand vermieden werden, da im Anforderungszustand einerseits die Effizienz der Reaktion in der Brennstoffzelle erhöht wird, wodurch weniger Abwärme entsteht, und andererseits mehr kühles Anodengas im Anodenraum bereitgestellt wird. Ebenfalls kann ein Anforderungszustand durch den Zustand der Brennstoffzelle dadurch ausgelöst werden, dass die Brennstoffzelle bereits ein gewisses Alter erreicht hat. Dann kann durch den Betrieb im Anforderungszustand die fortschreitende Alterung zumindest verlangsamt werden.The demand state can occur, for example, when a user requires more electrical power than usual, thereby accepting an increased consumption of the anode gas. However, it can also be provided that the request state is triggered by the state of the fuel cell itself. For example, when driving uphill in a hot country, where cooling is limited on the one hand and the electrical power provided is high on the other, the fuel cell may need to be “derated” (i.e. throttled the output power) in the normal state becomes. This can be avoided by the demand state, since in the demand state on the one hand the efficiency of the reaction in the fuel cell is increased, resulting in less waste heat and on the other hand more cool anode gas is made available in the anode space. A requirement state can also be triggered by the state of the fuel cell because the fuel cell has already reached a certain age. Then by operating in Requirement state the progressive aging can be at least slowed down.

Verbraucher im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, mit elektrischer Energie betrieben zu werden. Beim Verbraucher kann es sich insbesondere um einen mobilen Verbraucher handeln, welche insbesondere während der Benutzung nicht mit einem Stromnetz verbunden ist. Typische Beispiele für derartige mobile Verbraucher sind Fahrzeuge, beispielsweise Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Verbraucher ein Kraftfahrzeug ist, welches mit einem Tank für Anodengas ausgebildet ist.A consumer within the meaning of the invention is any device that is suitable for being operated with electrical energy. The consumer can in particular be a mobile consumer who is not connected to a power grid, in particular during use. Typical examples of such mobile consumers are vehicles, such as land, sea and air vehicles. In particular, it can be provided that the consumer is a motor vehicle which is designed with a tank for anode gas.

Vorgesehen sein kann auch ein Fahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem aufweist und/oder ein Brennstoffzellensystem nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betreibt.A vehicle can also be provided which has a fuel cell system according to the invention and/or operates a fuel cell system according to a method according to the invention.

Das Kathodengas kann Luft aufweisen. Beim Kathodengas kann es sich auch um Luft, insbesondere getrocknete Luft, handeln. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas Sauerstoff aufweist und/oder im Wesentlichen aus Sauerstoff besteht. Der erste Reaktant kann Sauerstoff sein.The cathode gas may include air. The cathode gas can also be air, in particular dried air. It can also be provided that the cathode gas contains oxygen and/or essentially consists of oxygen. The first reactant can be oxygen.

Das Anodengas kann Wasserstoff aufweisen und/oder im Wesentlichen aus Wasserstoff bestehen. Das Anodengas kann ferner Dampf und/oder Stickstoff aufweisen. Der zweite Reaktant kann Wasserstoff sein.The anode gas can contain hydrogen and/or consist essentially of hydrogen. The anode gas can also contain steam and/or nitrogen. The second reactant can be hydrogen.

Eine Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung ist eine galvanische Zelle, welche chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs (Anodengas) und eines Oxidationsmittels (Kathodengas) in elektrische Energie wandelt. Die Brennstoffzelle weist zumindest eine Kathode und eine Anode auf, welche durch zumindest eine semipermeable Membran getrennt sind. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC).A fuel cell within the meaning of the invention is a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a supplied fuel (anode gas) and an oxidizing agent (cathode gas) into electrical energy. The fuel cell has at least one cathode and one anode, which are separated by at least one semipermeable membrane. The fuel cell can be a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).

Sowohl Anode als auch Kathode sind dazu ausgebildet, ein Anodengas bzw. Kathodengas von einem Eingang durch einen Strömungspfad zu einem Ausgang zu führen. Der Strömungspfad wird in der Regel gebildet zwischen einer Kathode - bzw. Anodenoberfläche und der Polymerelektrolytmembran, wodurch sich ein Strömungskanal bildet. Das im Strömungskanal der jeweiligen Elektrode eingeschlossene Volumen kann auch als Kathodenraum bzw. Anodenraum bezeichnet werden. Der Kathodenraum bzw. Anodenraum erstreckt sich vom Eingang der Kathode bzw. Anode bis zum Ausgang der Kathode bzw. Anode.Both the anode and the cathode are designed to conduct an anode gas or cathode gas from an inlet through a flow path to an outlet. The flow path is typically formed between a cathode or anode surface and the polymer electrolyte membrane, thereby forming a flow channel. The volume enclosed in the flow channel of the respective electrode can also be referred to as the cathode space or anode space. The cathode space or anode space extends from the entrance of the cathode or anode to the exit of the cathode or anode.

Eine Normalbetriebskonzentration bzw. Anforderungskonzentration ist jeweils als die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Anode bzw. im Anodenraum zu verstehen. Diese ist in der Regel abhängig davon, wie viel vom zweiten Reaktanten durch Spülen hinzugefügt wird bzw. durch den Betrieb der Brennstoffzelle verbraucht wird.A normal operating concentration or required concentration is to be understood as the concentration of the second reactant in the anode or in the anode space. This usually depends on how much of the second reactant is added by flushing or consumed by the operation of the fuel cell.

Es kann vorgesehen sein, dass das Anodengas rezirkuliert wird. Mit anderen Worten kann das Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einen Anodeneingang einer Anode der Brennstoffzelle eingeleitet und zeitweise und/oder teilweise derart von einem Anodenausgang wieder zurück in den Anodeneingang geleitet werden, dass das Anodengas in der Anode (re)zirkuliert. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass zeitweise und/oder teilweise das Anodengas von dem Anodenausgang zu einer Abluft geleitet wird. Sowohl die Rezirkulation als auch die Ableitung zur Abluft können im Normalzustand als auch im Anforderungszustand vorgesehen sein.It can be provided that the anode gas is recirculated. In other words, the anode gas with a second reactant can be introduced into an anode inlet of an anode of the fuel cell and temporarily and/or partially fed back from an anode outlet into the anode inlet such that the anode gas (re)circulates in the anode. It can also be provided that the anode gas is temporarily and/or partially routed from the anode outlet to an exhaust air outlet. Both the recirculation and the derivation to the exhaust air can be provided in the normal state as well as in the demand state.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle stellt sich der Vorteil ein, dass bei einer erhöhten Anforderung entweder der Brennstoffzelle selbst oder an eine Leistung der Brennstoffzelle durch eine höhere Konzentration des zweiten Reaktanten in der Anode bzw. im Anodenraum eine höhere Leistung der Brennstoffzelle bereitgestellt bzw. die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert werden kann. Insgesamt werden dadurch auch Kosten eingespart, da die Brennstoffzelle später aufbereitet, repariert bzw. ausgetauscht werden muss.The method according to the invention for operating a fuel cell has the advantage that when there is an increased demand either for the fuel cell itself or for the power of the fuel cell, a higher power of the fuel cell is provided or The service life of the fuel cell can be extended. Overall, this also saves costs, since the fuel cell later has to be processed, repaired or replaced.

Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Normalzustand das Spülen zeitdiskret und/oder energieoptimal erfolgt. Mit anderen Worten kann im Normalzustand das Spülen nach festen Zeiträumen erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach 1,5 Sekunden Spülen während einer Dauer von 8,5 Sekunden die Brennstoffzelle in Rezirkulation betrieben wird. Beim energieoptimalen Betrieb wird das Verhältnis zwischen Spülen und Rezirkulation so eingestellt, dass sich ein Minimum aus verbrauchter Energie (beispielsweise für den Betrieb von Pumpen) und ein Maximum aus bereitgestellter Energie der Brennstoffzelle (beispielsweise durch Reduktion von Stickstoff im Anodenraum durch Spülen) einstellen. Sowohl das zeitdiskrete als auch das energieoptimale Spülen im Normalzustand bietet den Vorteil, dass die Brennstoffzelle auch im Normalzustand einen geringen Verbrauch aufweist, sodass der Betrieb der Brennstoffzelle insgesamt kostengünstig ist.In a method according to the invention, it can preferably be provided that in the normal state the rinsing takes place in a time-discrete manner and/or in an energy-optimal manner. In other words, in the normal state, flushing can take place after fixed periods of time. For example, provision can be made for the fuel cell to be operated in recirculation for a period of 8.5 seconds after flushing for 1.5 seconds. In energy-optimized operation, the ratio between flushing and recirculation is set in such a way that there is a minimum of energy consumed (e.g. for operating pumps) and a maximum of energy provided by the fuel cell (e.g. by reducing nitrogen in the anode chamber by flushing). Both the time-discrete and the energy-optimized flushing in the normal state offers the advantage that the fuel cell has a low consumption even in the normal state, so that the operation of the fuel cell is cost-effective overall.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass der Anforderungszustand ausgelöst wird durch eine Erfassung und/oder Verarbeitung einer Benutzereingabe am Verbraucher, insbesondere durch eine Benutzerschnittstelle und/oder durch eine Erkennung eines Anforderungszustandsparameters der Brennstoffzelle, insbesondere durch ein Steuergerät. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Anforderungszustand durch den Benutzer selbst ausgelöst werden kann, in dem er beispielsweise einen Schalter betätigt oder ein Gaspedal bedient. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Benutzer den Anforderungsmodus durch ein vollständiges Durchtreten des Gaspedals, wie es bei insbesondere Automatikfahrzeugen als „Kick down“ bekannt ist, auslöst. Dies bietet den Vorteil, dass der Benutzer bei einer aus seiner Sicht erhöhten Anforderung an die Leistungen Brennstoffzelle diese auf einfache Weise abrufen kann.It is also conceivable within the scope of the invention for the request state to be triggered by a detection and/or processing a user input at the consumer, in particular through a user interface and/or through a detection of a requirement state parameter of the fuel cell, in particular through a control unit. In other words, it can be provided that the request state can be triggered by the user himself, for example by actuating a switch or operating an accelerator pedal. In particular, it can be provided that the user triggers the request mode by fully depressing the gas pedal, as is known in particular in automatic vehicles as a “kick down”. This offers the advantage that the user can easily call up the performance of the fuel cell if he/she sees it as an increased requirement.

Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass im Anforderungszustand die Menge des Anodengases, mit dem gespült wird und/oder die Spüldauer gegenüber dem Normalzustand erhöht ist. Mit anderen Worten kann die Konzentration des zweiten Reaktanten insbesondere dadurch erhöht werden, dass mehr Anodengas an der Anode zu Verfügung gestellt wird, indem mehr Anodengas in die Anode eingeleitet wird und/oder die Dauer, mit der Anodengas in die Anode eingeleitet wird, verlängert wird. Diese Optionen bieten den Vorteil, dass ohne besonderen konstruktiven Aufwand in die gegenüber dem Normalzustand erhöhte Konzentration des zweiten Reaktanten an der Anode bereitgestellt werden kann. Dadurch werden insgesamt auch die Kosten des Betriebes der Brennstoffzelle reduziert.Furthermore, in a method according to the invention, it can advantageously be provided that, in the demand state, the quantity of anode gas used for scavenging and/or the scavenging duration is increased compared to the normal state. In other words, the concentration of the second reactant can be increased, in particular by making more anode gas available at the anode, by introducing more anode gas into the anode and/or by increasing the duration that anode gas is introduced into the anode . These options offer the advantage that the concentration of the second reactant, which is increased compared to the normal state, can be provided at the anode without any particular design effort. This also reduces the overall costs of operating the fuel cell.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass im Normalzustand und/oder im Anforderungszustand ein Kathodengassystem ein Kathodengas mit dem ersten Reaktanten in einen Kathodeneingang einer Kathode einer Brennstoffzelle eingeleitet und von einem Kathodenausgang zu einer Abluft abgeleitet wird, wobei sich stromabwärts der Brennstoffzelle das Anodengas und das Kathodengas vor der Abluft vermischen, wobei im Anforderungszustand die Menge des Kathodengases, dass mit dem Anodengas vermischt wird, gegenüber dem Normalzustand erhöht wird. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, das Kathodengas durch die Kathode strömt und sich stromabwärts der Kathode mit dem Anodengas vermischt, welches von einem Ausgang der Anode zu einer Abluft strömt. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass mehr Kathodengas im Anforderungszustand als im Normalzustand zur Mischung vor der Abluft zur Verfügung gestellt wird. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei einer erhöhten Konzentration des zweiten Reaktanten an der Abluft eine ausreichende Verdünnung stattfindet, sodass das Zustandekommen explosionsfähiger Gemische sicher vermieden wird.Furthermore, in a method according to the invention, it can advantageously be provided that, in the normal state and/or in the demand state, a cathode gas system with the first reactant is introduced into a cathode inlet of a cathode of a fuel cell and discharged from a cathode outlet to an exhaust air, with the Mix the anode gas and the cathode gas before the exhaust air, with the amount of the cathode gas that is mixed with the anode gas being increased in the demand state compared to the normal state. In other words, it can be provided that the cathode gas flows through the cathode and is mixed downstream of the cathode with the anode gas, which flows from an outlet of the anode to an exhaust air. Provision can likewise be made for more cathode gas to be made available for mixing before the exhaust air in the demand state than in the normal state. This offers the advantage that sufficient dilution takes place even with an increased concentration of the second reactant in the exhaust air, so that the formation of explosive mixtures is reliably avoided.

Es ist ferner bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass im Anforderungszustand das Kathodengas zumindest teilweise über einen Bypass um die Kathode stromabwärts der Kathode geleitet wird. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas nicht über die Kathode selbst, sondern der Kathode vorbei direkt zu Abluft geleitet wird. Dies bietet den Vorteil, dass insbesondere meiner erhöhten Menge von Kathodengas, die einer Abluft bereitgestellt werden soll, Druckverluste in der Kathode verringert bzw. vermieden werden, sodass auch bei geringerer Leistung eine erhöhte Menge und/oder Konzentration von Kathodengas einer Abluft zur Verfügung gestellt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas ausschließlich über den Bypass einer Kathode vorbeigeleitet wird. Hierdurch kann eine besonders hohe Menge an Kathodengas einer Abluft bereitgestellt und gleichzeitig der Druckverlust minimiert werden. Auch dies bietet eine besonders kostengünstige Möglichkeit, die Brennstoffzelle zu betreiben.It is also conceivable in a method according to the invention that, in the demand state, the cathode gas is at least partially routed via a bypass around the cathode downstream of the cathode. In other words, provision can be made for the cathode gas not to be conducted via the cathode itself, but rather past the cathode directly to exhaust air. This offers the advantage that, in particular with an increased quantity of cathode gas to be made available to an exhaust air, pressure losses in the cathode are reduced or avoided, so that an increased quantity and/or concentration of cathode gas is made available to an exhaust air even at lower power can. Provision can be made for the cathode gas to be routed past a cathode exclusively via the bypass. As a result, a particularly high quantity of cathode gas can be provided for an exhaust air and at the same time the pressure loss can be minimized. This also offers a particularly cost-effective way of operating the fuel cell.

Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass der Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers ausgebildet ist als ein oder mehrerer der folgenden Parameter:

  • - ein Gesundheitszustand der Brennstoffzelle,
  • - eine Spannung der Brennstoffzelle,
  • - eine Temperatur der Brennstoffzelle,
  • - eine Kühlleistung einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle,
  • - ein Füllstand des Anodengastanks,
  • - eine Konzentration des ersten Reaktanten in der Brennstoffzelle,
  • - eine Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle,
  • - eine Konzentration von Stickstoff in der Brennstoffzelle.
In a method according to the invention, it can preferably be provided that the request state parameter of the consumer is in the form of one or more of the following parameters:
  • - a state of health of the fuel cell,
  • - a voltage of the fuel cell,
  • - a temperature of the fuel cell,
  • - a cooling capacity of a cooling device for cooling the fuel cell,
  • - a filling level of the anode gas tank,
  • - a concentration of the first reactant in the fuel cell,
  • - a concentration of the second reactant in the fuel cell,
  • - a concentration of nitrogen in the fuel cell.

Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers ausgebildet ist als ein Zustandsparameter der Brennstoffzelle und/oder ein Zustandsparameter des Brennstoffzellensystems. Dies bietet den Vorteil, dass ein Benutzer nicht selbst den Anforderungszustand beispielsweise durch eine Benutzereingabe auslösen muss, sondern das System selbst durch einen Zustandsparameter des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelle einen Anforderungszustand erkennt und somit die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöhen bzw. einer Drosselung der Brennstoffzellenleistungen sicher vermieden werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Brennstoffzelle besonders lange effizient betrieben werden kann, wodurch sich ein Kostenvorteil einstellt.In other words, it can be provided that the demand status parameter of the consumer is in the form of a status parameter of the fuel cell and/or a status parameter of the fuel cell system. This offers the advantage that a user does not have to trigger the requirement state himself, for example with a user input, but rather the system itself recognizes a requirement state through a state parameter of the fuel cell system or the fuel cell and thus increases the service life of the fuel cell or reliably avoids a throttling of the fuel cell performance can be. This results in the advantage that the fuel cell can be operated efficiently for a particularly long time can be, resulting in a cost advantage.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein Anodengassystem mit einer Pumpe zur Rezirkulation des Anodengases zwischen einem Anodenausgang der Anode und einem Anodeneingang der Anode vorgesehen ist, wobei im Anforderungszustand eine Pumpleistung der Pumpe gegenüber dem Normalzustand erhöht ist, und/oder dass das Anodengassystem ein Anodengasdosierventil zum Eindosieren von Anodengas vom Anodengastank zur Anode aufweist, wobei im Anforderungszustand die Eindosierung von Anodengas gegenüber dem Normalzustand erhöht ist und/oder dass das Anodengassystem ein Purgeventil aufweist, welches in einem geschlossenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft verhindert und in einem offenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft zulässt, wobei im Anforderungszustand das Purgeventil mehr Anodengas zur Ableitung an die Abluft abgibt als im Normalzustand. Mit anderen Worten kann durch verschiedene Maßnahmen die Konzentration des zweiten Reaktanten im Anodenraum erhöht werden. Durch die Erhöhung der Pumpleistung Anforderungszustand kann der Vorteil erreicht werden, dass ohne einen erhöhten Verbrauch von Anodengas die Konzentration des zweiten Reaktanten einerseits über einen Strömungspfad innerhalb des Anodenraum homogener verteilt und gleichzeitig erhöht ist. Die erhöhte Eindosierung über das Anodengasdosierventil bietet den Vorteil, dass eine Erhöhung der Konzentration des zweiten Reaktanten im Anodenraum sicher gewährleistet wird und gleichzeitig eine indirekte Kühlung durch sich entspannendes Anodengas in der Brennstoffzelle erfolgt. Durch die erhöhte Ableitung an die Abluft im Anforderungszustand wird wiederum der Vorteil erreicht, dass eindiffundierte Gase im Anodenraum besser ausgetragen werden, welche ansonsten die Lebensdauer der Brennstoffzelle reduzieren könnten.Furthermore, in a method according to the invention, it can advantageously be provided that an anode gas system with a pump for recirculating the anode gas is provided between an anode outlet of the anode and an anode inlet of the anode, with a pump capacity of the pump being increased in the demand state compared to the normal state, and/or that the anode gas system has an anode gas metering valve for metering in anode gas from the anode gas tank to the anode, with the metering in of anode gas being increased in the demand state compared to the normal state and/or that the anode gas system has a purge valve which, in a closed state, prevents the anode gas from being discharged to the exhaust air and in an open state allows the anode gas to be discharged to the exhaust air, wherein in the demand state the purge valve releases more anode gas for discharge to the exhaust air than in the normal state. In other words, the concentration of the second reactant in the anode space can be increased by various measures. Increasing the pump power requirement state can achieve the advantage that the concentration of the second reactant is distributed more homogeneously over a flow path within the anode chamber and is simultaneously increased without increased consumption of anode gas. The increased metering in via the anode gas metering valve offers the advantage that an increase in the concentration of the second reactant in the anode chamber is reliably ensured and at the same time there is indirect cooling by the anode gas expanding in the fuel cell. The advantage that diffused gases in the anode chamber, which could otherwise reduce the service life of the fuel cell, are discharged more effectively, is in turn achieved through the increased discharge to the exhaust air in the demand state.

Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass Brennstoffzellensystems ferner ein Sensorsystem aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers zu erfassen, wobei das Sensorsystem insbesondere einen Sensor für den zweiten Reaktanten aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle zu erfassen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem Mittel aufweist, welche dazu geeignet sind, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter durch eine physikalische Messung zu erfassen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Anforderungszustand besonders sicher erkannt und dementsprechend eine erhöhte Leistung bereitgestellt werden kann.Furthermore, it is conceivable in a method according to the invention that the fuel cell system also has a sensor system which is designed to detect one or more demand state parameters of the consumer, the sensor system having in particular a sensor for the second reactant, which is designed to measure the concentration of the to detect second reactants in the fuel cell. In other words, it can be provided that the fuel cell system has means which are suitable for detecting one or more requirement state parameters by means of a physical measurement. This achieves the advantage that the request state can be detected particularly reliably and, accordingly, increased performance can be provided.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, für einen Verbraucher, insbesondere ein Fahrzeug, bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle verstromt werden, vorgesehen. Ferner ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät aufweist, wobei das Steuergerät dazu ausgeführt ist, das Brennstoffzellensystem nach einem Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen zu betreiben. Mit anderen Worten weist das Brennstoffzellensystem eine Einrichtung zur Steuerung der Brennstoffzelle bzw. des gesamten Brennstoffzellensystems auf, welches dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Auch durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird der Vorteil erreicht, dass bei einer erhöhten Anforderung der Brennstoffzelle selbst bzw. bei einer erhöhten Anforderung an die Leistung der Brennstoffzelle durch eine höhere Konzentration des zweiten Reaktanten im Anodenraum eine höhere Leistung der Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann. Ferner lässt sich durch den Betrieb im Anforderungsmodus auch eine Drosselung der Leistung der Brennstoffzelle verhindern bzw. deren Lebensdauer erhöhen. Insgesamt ergibt sich der Vorteil, dass Kosten beim Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems eingespart werden können.According to a further aspect of the invention, a fuel cell system is provided for a consumer, in particular a vehicle, in which a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant are converted into electricity in a fuel cell. Furthermore, it is provided that the fuel cell system has a control unit, the control unit being designed to operate the fuel cell system according to a method according to the preceding claims. In other words, the fuel cell system has a device for controlling the fuel cell or the entire fuel cell system, which is suitable for carrying out the method according to the invention. The fuel cell system according to the invention also achieves the advantage that when there is an increased demand on the fuel cell itself or when there is an increased demand on the power of the fuel cell, a higher power of the fuel cell can be provided by a higher concentration of the second reactant in the anode chamber. Furthermore, by operating in the demand mode, a throttling of the performance of the fuel cell can also be prevented or its service life can be increased. Overall, there is the advantage that costs can be saved when operating the fuel cell or the fuel cell system.

Somit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind.A fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as have already been described in detail with reference to a method according to the invention.

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

  • 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bren nstoffzel lensystems,
  • 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, sowie
  • 3 eine schematische Ansicht eines Verbrauchers mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.
Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. They show schematically:
  • 1 a schematic view of a fuel cell system according to the invention,
  • 2 a schematic view of a method according to the invention for operating a fuel cell system, and
  • 3 a schematic view of a consumer with a fuel cell system according to the invention.

In der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden für die gleichen technischen Merkmale auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.In the following description of some exemplary embodiments of the invention, the same technical features are also given below different embodiments, the same reference numerals used.

Die 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 10. Im Zentrum des Brennstoffzellensystems 10 ist schematisch eine Brennstoffzelle 100 dargestellt, welche einer Anode 120 und einer Kathode 110 aufweist. Dabei weist die Anode 120 einen Anodeneingang 121, durch den Anodengas in die Anode 120 einströmen und einen Anodenausgang 122, durch den Anodengas aus der Anode 120 ausströmen kann, auf. Zwischen dem Anodeneingang 121 und dem Anodenausgang 122 liegt ein Anodenraum. Dabei folgt das Anodengas einem Strömungspfad vom Anodeneingang 121 zum Anodenausgang 122.The 1 shows a fuel cell system 10 schematically. In the center of the fuel cell system 10, a fuel cell 100 is shown schematically, which has an anode 120 and a cathode 110. FIG. The anode 120 has an anode inlet 121 through which the anode gas can flow into the anode 120 and an anode outlet 122 through which the anode gas can flow out of the anode 120 . An anode space is located between the anode inlet 121 and the anode outlet 122 . The anode gas follows a flow path from the anode inlet 121 to the anode outlet 122.

Das Anodengassystem 300 ist dazu geeignet, die Anode 120 mit Anodengas zu versorgen und das Anodengas zu einer Abluft 400 abzuleiten. Hierzu weist das Anodengassystem 300 einen Anodengastank 310 auf, in welchem Anodengas, insbesondere Wasserstoff, aufbewahrt wird. Das Anodengas kann über ein Aufbereitungssystem 320 aufbereitet werden. Dabei kann insbesondere durch das Aufbereitungssystem 320 der Druck des Anodengases sowie die Temperatur eingestellt werden. Außerdem kann das Anodengassystem 300 passive und/oder aktive Zirkulationsmittel 331, 332 umfassen. Gemäß der 1 ist gezeigt, dass stromabwärts des Aufbereitungssystem 320 einen Jet-Pumpe 331 angeordnet sein kann, welche dazu geeignet ist, Anodengas am Anodeneingang 121 der Anode 120, insbesondere durch Rezirkulation vom Anodenausgang 122 in passiver Weise zur Verfügung zu stellen. Alternativ und/oder in Ergänzung dazu kann parallel zur Anode 120 eine Pumpe 332 dazu vorgesehen sein, dass Anodengas aktiv vom Anodenausgang 122 zum Anodeneingang 121 zu rezirkulieren.The anode gas system 300 is suitable for supplying the anode 120 with anode gas and discharging the anode gas to an exhaust air 400 . For this purpose, the anode gas system 300 has an anode gas tank 310 in which anode gas, in particular hydrogen, is stored. The anode gas can be processed via a processing system 320 . In this case, the pressure of the anode gas and the temperature can be set in particular by the processing system 320 . In addition, the anode gas system 300 can comprise passive and/or active circulation means 331, 332. According to the 1 It is shown that downstream of the processing system 320 a jet pump 331 can be arranged, which is suitable for making anode gas available at the anode inlet 121 of the anode 120, in particular by recirculation from the anode outlet 122 in a passive manner. Alternatively and/or in addition to this, a pump 332 can be provided parallel to the anode 120 to actively recirculate the anode gas from the anode outlet 122 to the anode inlet 121 .

In einem Anforderungszustand 2 kann durch das Anodengassystem 300 das Anodengas aus dem Anodengastank 310 und von dem Ausgang 122 der Anode 120 an dem Eingang 121 der Anode 120 eingeleitet werden, und von dem Ausgang 122 zu der Abluft 400 geleitet werden, wodurch sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode 120 einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration.In a demand state 2, the anode gas from the anode gas tank 310 and from the outlet 122 of the anode 120 can be introduced through the anode gas system 300 to the inlet 121 of the anode 120, and can be routed from the outlet 122 to the exhaust air 400, resulting in a demand concentration of the second reactant in the anode 120, with the demand concentration being higher than the normal operating concentration.

Das Anodengas aus dem Anodengastank 310 hat eine höhere Konzentration des zweiten Reaktanten als das rezirkulierte Anodengas. Anodengas aus dem Anodengastank 310 kann zu annähernd 100 % aus dem zweiten Reaktanten bestehen. Die Konzentration des zweiten Reaktanten kann in der Anode 120 kann dadurch erhöht werden, dass durch das Anodengassystem 300 mehr Anodengas aus dem Anodengastank 310 und weniger rezirkuliertes Anodengas in die Anode 120 eingeleitet wird. Dabei kann die Einleitung von Anodengas aus dem Anodengastank 310 und rezirkuliertem Anodengas zeitlich alternierend oder gleichzeitig erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass Anodengas aus dem Anodengastank 310 und rezirkuliertem Anodengas einzeln dosiert wird.The anode gas from the anode gas tank 310 has a higher concentration of the second reactant than the recirculated anode gas. Anode gas from the anode gas tank 310 may be approximately 100% the second reactant. The concentration of the second reactant in the anode 120 may be increased by introducing more anode gas from the anode gas tank 310 and less recirculated anode gas into the anode 120 through the anode gas system 300 . In this case, the introduction of anode gas from the anode gas tank 310 and recirculated anode gas can take place alternately in time or simultaneously. Provision can also be made for anode gas from the anode gas tank 310 and recirculated anode gas to be metered individually.

Ferner kann, wie in der 1 schematisch dargestellt, das Anodengassystem 300 ein Purgeventil 330 aufweisen, welches in einem geschlossenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft 400 verhindert und in einem offenen Zustand zulässt, dass Anodengas in Richtung Abluft 400 strömt. Das Purgeventil 330 kann stromabwärts der Anode 120 angeordnet sein.Furthermore, as in the 1 shown schematically, the anode gas system 300 has a purge valve 330 which, in a closed state, prevents the anode gas from being discharged to the exhaust air 400 and, in an open state, allows the anode gas to flow in the direction of the exhaust air 400 . The purge valve 330 can be arranged downstream of the anode 120 .

Die 1 zeigt ebenfalls, dass ein Kathodengassystem 200 im Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen sein kann. Dieses kann eine Luftzufuhr 210 umfassen, welche dazu geeignet ist, Luft an der Kathode 110 der Brennstoffzelle 100 bereitzustellen. Dabei kann die Luft durch eine Aufbereitung 220 aufbereitet werden. Hier kann insbesondere eine Trocknung, Anpassung der Temperatur und/oder Abscheidung unerwünschter Gase bzw. Bestandteile stattfinden. Teil des Kathodengassystems 200 kann ein Bypass 230 sein, welcher dazu geeignet ist, das Kathodengas parallel zu einem Strömungspfad innerhalb der Kathode 110 vom Kathodeneingang 111 zu Kathodenausgang 112 zu leiten, sodass das Kathodengas die Kathode 110 nicht passieren muss. Dieser Bypass 230 ist durch ein Bypassventil 231 regelbar, welches in einem geöffneten Zustand ermöglicht, das Kathodengas vorbei einer Kathode 110 zur Abluft 400 strömen kann und in einem geschlossenen Zustand verhindert, dass das Kathodengas parallel zur Kathode 110 direkt zur Abluft 400 strömt.The 1 Also shows that a cathode gas system 200 can be provided in the fuel cell system 10 . This can include an air supply 210 which is suitable for providing air at the cathode 110 of the fuel cell 100 . In this case, the air can be processed by a processing unit 220 . In particular, drying, adjustment of the temperature and/or separation of undesired gases or components can take place here. Part of the cathode gas system 200 can be a bypass 230 which is suitable for conducting the cathode gas parallel to a flow path within the cathode 110 from the cathode inlet 111 to the cathode outlet 112 so that the cathode gas does not have to pass through the cathode 110 . This bypass 230 can be regulated by a bypass valve 231 which, in an open state, allows the cathode gas to flow past a cathode 110 to the exhaust air 400 and in a closed state prevents the cathode gas from flowing parallel to the cathode 110 directly to the exhaust air 400.

Ferner zeigt die 1 noch eine Kühlvorrichtung 500, welche dazu geeignet ist, die Brennstoffzelle 100 zu kühlen bzw. zu temperieren.Furthermore, the 1 nor a cooling device 500, which is suitable for cooling or tempering the fuel cell 100.

Gemäß der 1 kann ebenfalls ein Sensorsystem 600 vorgesehen sein, welches insbesondere zumindest einen Sensor 610 aufweist. Das Sensorsystem 600 ist dazu ausgebildet, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter eines nicht dargestellten Verbrauchers 20 und/oder des Brennstoffzellensystems 10 bzw. der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Bei dem Sensor 610 kann sich insbesondere um einen Sensor handeln, welche dazu geeignet ist, die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Der Sensor 610 kann beispielsweise ebenfalls als Stellsensor 610 ausgebildet sein, welcher die Position als Gaspedals in einem Fahrzeug 20 erkennt.According to the 1 A sensor system 600 can also be provided, which in particular has at least one sensor 610. Sensor system 600 is designed to detect one or more request state parameters of a consumer 20 (not shown) and/or of fuel cell system 10 or fuel cell 100 . The sensor 610 can in particular be a sensor which is suitable for detecting the concentration of the second reactant in the fuel cell 100 . The sensor 610 can, for example, likewise be in the form of a positioning sensor 610 which detects the position of the gas pedal in a vehicle 20 .

Die 2 veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 10. Dabei wird, ausgehend von einem Normalzustand 1, in einen Anforderungszustand 2 gewechselt, wenn eine Benutzereingabe 3 am Verbraucher 20, insbesondere durch eine Benutzerschnittstelle, und/oder wenn eine Erkennung 4 eines Anforderungszustandsparameters der Brennstoffzelle 100 insbesondere durch ein Steuergerät erfolgt. Die Benutzereingabe 3 und die Erkennung 4 eines Anforderungszustandsparameters werden in jedem Zeitschritt des Steuergeräts berücksichtigt.The 2 illustrates a method for operating the fuel cell system 10. Starting from a normal state 1, there is a change to a requirement state 2 when a user input 3 at the consumer 20, in particular through a user interface, and/or when a recognition 4 of a requirement state parameter of the fuel cell 100 in particular done by a controller. The user input 3 and the recognition 4 of a demand state parameter are taken into account in each time step of the control unit.

Die 3 zeigt schließlich einen Verbraucher 20, welcher beispielhaft als Fahrzeug 20 dargestellt ist, welcher ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 ist dazu geeignet, ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle 100 zu verstromen, also durch eine chemische Reaktion der Reaktanten direkt Strom bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem 10 ein Steuergerät aufweist, welches dazu ausgeführt ist, das Brennstoffzellensystem 10 einem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.The 3 Finally, FIG. The fuel cell system 10 is suitable for converting a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant into electricity in a fuel cell 100, i.e. providing electricity directly through a chemical reaction of the reactants, with the fuel cell system 10 having a control unit which is designed for this purpose , the fuel cell system 10 to operate a method according to the invention.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the present invention.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für einen Verbraucher (20), insbesondere ein Fahrzeug (20), bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle (100) verstromt werden, wobei in einem Normalzustand (1) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode (120) der Brennstoffzelle (100) einstellt, und in einem Anforderungszustand (2) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode (120) einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration.Method for operating a fuel cell system (10) for a consumer (20), in particular a vehicle (20), in which a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant are converted into electricity in a fuel cell (100), in a normal state (1) the fuel cell (100) is operated and flushed in such a way that a normal operating concentration of the second reactant is established in an anode (120) of the fuel cell (100), and in a requirement state (2) the fuel cell (100) is operated and flushed in such a way is that a required concentration of the second reactant in the anode (120) is established, the required concentration being higher than the normal operating concentration. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand (1) das Spülen zeitdiskret und/oder energieoptimal erfolgt.Method for operating a fuel cell system (10). claim 1 , characterized in that in the normal state (1) the rinsing takes place in a time-discrete manner and/or in an energy-optimal manner. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anforderungszustand (2) ausgelöst wird durch eine Erfassung und/oder Verarbeitung einer Benutzereingabe (3) am Verbraucher (20), insbesondere durch eine Benutzerschnittstelle und/oder durch eine Erkennung (4) eines Anforderungszustandsparameters der Brennstoffzelle (100), insbesondere durch ein Steuergerät.Method for operating a fuel cell system (10). claim 1 or 2 , characterized in that the requirement state (2) is triggered by a detection and / or processing of a user input (3) at the consumer (20), in particular by a user interface and / or by a detection (4) of a requirement state parameter of the fuel cell (100) , in particular by a control unit. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anforderungszustand (2) die Menge des Anodengases, mit dem gespült wird und/oder die Spüldauer gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht ist.Method for operating a fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in the demand state (2) the amount of anode gas used for scavenging and/or the scavenging time is increased compared to the normal state (1). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand (1) und/oder im Anforderungszustand (2) ein Kathodengassystem (200) ein Kathodengas mit dem ersten Reaktanten in einen Kathodeneingang (111) einer Kathode (110) einer Brennstoffzelle (100) eingeleitet und von einem Kathodenausgang (112) zu einer Abluft (400) abgeleitet wird, wobei sich stromabwärts der Brennstoffzelle (100) das Anodengas und das Kathodengas vor der Abluft (400) vermischen, wobei im Anforderungszustand (2) die Menge des Kathodengases, dass mit dem Anodengas vermischt wird, gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht wird.Method for operating a fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in the normal state (1) and/or in the demand state (2) a cathode gas system (200) introduces a cathode gas with the first reactant into a cathode inlet (111) of a cathode (110) of a fuel cell (100) and discharged from a cathode outlet (112) to an exhaust air (400), with the anode gas and the cathode gas mixing upstream of the exhaust air (400) downstream of the fuel cell (100), with the requirement state ( 2) the amount of the cathode gas mixed with the anode gas is increased from the normal state (1). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Anforderungszustand (2) das Kathodengas zumindest teilweise über einen Bypass (230) um die Kathode (110) stromabwärts der Kathode (110) geleitet wird.Method for operating a fuel cell system (10). claim 5 , characterized in that in the requirement state (2) the cathode gas is at least partially passed via a bypass (230) around the cathode (110) downstream of the cathode (110). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers (20) ausgebildet ist als ein oder mehrerer der folgenden Parameter: - ein Gesundheitszustand der Brennstoffzelle (100), - eine Spannung der Brennstoffzelle (100), - eine Temperatur der Brennstoffzelle (100), - eine Kühlleistung einer Kühlvorrichtung (500) zum Kühlen der Brennstoffzelle (100), - ein Füllstand des Anodengastanks (310), - eine Konzentration des ersten Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), - eine Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), - eine Konzentration von Stickstoff in der Brennstoffzelle (100).Method for operating a fuel cell system (10) according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that the requirement state parameter of the consumer (20) is designed as one or more of the following parameters: - a state of health of the fuel cell (100), - a voltage of the fuel cell (100), - a temperature of the fuel cell (100), - a cooling capacity of a cooling device (500) for cooling the fuel cell (100), - a filling level of the anode gas tank (310), - a concentration of the first reactant in the fuel cell (100), - a concentration of the second reactant in the fuel cell (100), - a concentration of nitrogen in the fuel cell (100). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anodengassystem (300) mit einer Pumpe (332) zur Rezirkulation des Anodengases zwischen einem Anodenausgang (312) der Anode (310) und einem Anodeneingang (311) der Anode (310) vorgesehen ist, wobei im Anforderungszustand (2) eine Pumpleistung der Pumpe (332) gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht ist, und/oder dass das Anodengassystem (300) ein Anodengasdosierventil (322) zum Eindosieren von Anodengas vom Anodengastank (310) zur Anode (120) aufweist, wobei im Anforderungszustand (2) die Eindosierung von Anodengas gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht ist und/oder dass das Anodengassystem (300) ein Purgeventil (340) aufweist, welches in einem geschlossenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft (400) verhindert und in einem offenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft (400) zulässt, wobei im Anforderungszustand (2) das Purgeventil (340) mehr Anodengas zur Ableitung an die Abluft (400) abgibt als im Normalzustand (1).Method for operating a fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that an anode gas system (300) with a pump (332) for recirculating the anode gas between an anode outlet (312) of the anode (310) and an anode inlet (311) the anode (310), wherein in the demand state (2) a pump capacity of the pump (332) is increased compared to the normal state (1), and/or that the anode gas system (300) has an anode gas metering valve (322) for metering in anode gas from the anode gas tank (310) to the anode (120), wherein in the requirement state (2) the metering in of anode gas is increased compared to the normal state (1) and/or that the anode gas system (300) has a purge valve (340) which, in a closed state, Derivation of the anode gas to the exhaust air (400) prevented and allowed in an open state, the derivation of the anode gas to the exhaust air (400), wherein in the requirement state (2) the Purgeven til (340) emits more anode gas for discharge to the exhaust air (400) than in the normal state (1). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellensystems (10) ferner ein Sensorsystem (600) aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers (20) und/oder der Brennstoffzelle (100) zu erfassen, wobei das Sensorsystem (600) insbesondere einen Sensor für den zweiten Reaktanten (610) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle (100) zu erfassen.Method for operating a fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (10) also has a sensor system (600) which is designed to measure one or more requirement state parameters of the consumer (20) and/or the fuel cell ( 100), wherein the sensor system (600) has in particular a sensor for the second reactant (610), which is designed to detect the concentration of the second reactant in the fuel cell (100). Ein Brennstoffzellensystem (10), für einen Verbraucher (20), insbesondere ein Fahrzeug (20), bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle (100) verstromt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, wobei das Steuergerät dazu ausgeführt ist, das Brennstoffzellensystem (10) nach einem Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen zu betreiben.A fuel cell system (10) for a consumer (20), in particular a vehicle (20), in which a cathode gas with a first reactant and an anode gas with a second reactant are converted into electricity in a fuel cell (100), characterized in that a control unit is provided, wherein the control unit is designed to operate the fuel cell system (10) according to a method according to the preceding claims.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006061194A1 (en) 2004-12-08 2006-06-15 Renault S.A.S. Purge management in fuel cell power plants
JP2007273227A (en) 2006-03-31 2007-10-18 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2008218265A (en) 2007-03-06 2008-09-18 Denso Corp Fuel cell system
DE102019128425A1 (en) 2019-10-22 2021-04-22 Audi Ag Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device '

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006061194A1 (en) 2004-12-08 2006-06-15 Renault S.A.S. Purge management in fuel cell power plants
JP2007273227A (en) 2006-03-31 2007-10-18 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2008218265A (en) 2007-03-06 2008-09-18 Denso Corp Fuel cell system
DE102019128425A1 (en) 2019-10-22 2021-04-22 Audi Ag Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device '

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