WO2021058327A1 - Method for optimizing a deactivation procedure of a fuel cell system - Google Patents

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WO2021058327A1
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cathode
fuel cell
cell system
line
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Helerson Kemmer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention is based on a method for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle and a fuel cell system for carrying out the relevant method.
  • the main phases with regard to degradation mechanisms for fuel cell stacks are the start and stop phases of fuel cell systems.
  • An important degradation mechanism here is the hydrogen-air front in the anode at start-up or the high open circuit voltage of fuel cells in the shutdown phase.
  • the no-load voltage which is harmful to fuel cell systems, occurs when the anode is supplied with hydrogen and the cathode with oxygen without an electrical load being applied.
  • both the hydrogen and the air system are usually blown dry in order to protect the fuel cell stack and the entire system from frost damage.
  • the anode or the anode conduction path is cleaned using fresh hydrogen, which flows through the anode and the anode conduction path and reaches an exhaust through an open purge valve or possibly a drain valve.
  • an open purge valve or possibly a drain valve For safety reasons, however, sufficient dilution by means of an air mass flow is necessary to remove the hydrogen.
  • To dry the cathode air is blown through the cathode accordingly.
  • electrochemical potentials arise in the cells, so that after some time an open circuit voltage described above develops on the electrodes of the fuel cell, which is harmful to the systems concerned.
  • the presence of an open circuit voltage can be prevented by drawing a significant current during the drying process, but this in turn leads to increased water production, which in turn requires drying.
  • the check valves arranged within a cathode conduction path must also be closed during the shutdown phase and remain airtight. Unfortunately, however, these valves often have to be reprinted in order to effectively compensate for sealing losses.
  • the subject matter of the invention is a method for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system and, according to a second aspect, a fuel cell system for carrying out such a method.
  • the method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle is used in particular to eliminate harmful electrochemical potentials during the drying process and the shutdown phase.
  • By eliminating the damaging electrochemical potentials during the shutdown process and the shutdown phase it is possible to increase the service life of fuel cell systems and also to reduce the costs of the systems concerned, in particular by eliminating the need for shut-off valves.
  • improved drying and a reduction in operating costs and the safety-critical process features can be achieved by eliminating hydrogen consumption during the drying process of the anode.
  • the method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle comprises the steps of releasing a cathode-side line part of a cathode line path for at least partially bridging an air supply path of the cathode of the fuel cell system, generating a current flow to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system, creating a short circuit between the anode and cathode of the fuel cell system to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system, drying the anode and the anode conduction path to remove water, drying the cathode and the cathode conduction path to remove water and a shutdown of the fuel cell system.
  • the method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system can preferably be used in a passenger car or in a truck. Use in ships, flying objects or also in stationary systems or the like is also conceivable.
  • the fuel cell system in question is preferably part of a fuel cell stack, which can in particular be formed from a multiplicity of interconnected fuel cells. It is therefore understood that the method steps according to the invention, which are described with reference to a fuel cell, in the context of an arrangement of a plurality of fuel cells within a fuel cell stack in parallel in all interconnected fuel cells, preferably can be run simultaneously.
  • a cathode conduction path is preferably understood to mean the entirety of all conduits leading to the supply and discharge of air or oxygen to the cathode (or away from the cathode).
  • An anode line path is understood to mean the entirety of all lines leading to the supply and removal of hydrogen to the anode (or away from the anode).
  • the creation of a short circuit is preferably understood to mean the creation of a direct electrical connection between anode and cathode, for example via a specific electrical resistance.
  • a current flow can also be generated by connecting a DC / DC converter to the cathode and anode, for example.
  • the electrical energy thus generated can then, for example, be stored in an energy store connected to the DC / DC converter.
  • drying processes of the anode and cathode provided according to the method in question do not have to be carried out strictly one after the other, but can also take place at least partially in parallel with one another.
  • an open circuit voltage at the electrodes of the fuel cells of a fuel cell stack can be effectively eliminated through a targeted combination of the method steps according to the invention, in particular through the combination of cell-specific short-circuits, a specific design of the anode lead path in question and a dedicated operating strategy can.
  • This not only increases the lifespan of the systems, but also reduces the costs for such systems, for example by eliminating shut-off valves and reducing hydrogen consumption.
  • the cathode-side line part is released by opening a bypass valve, with an exhaust air inlet for discharging air preferably also being opened at least in part.
  • An exhaust air access can in this case preferably be in the form of a throttle valve, in particular in the form of an exhaust air throttle.
  • An exhaust air access can at least partially be opened within the scope of an embodiment of the exhaust air access in the form of an exhaust air throttle, for example by dethrottling the exhaust air throttle.
  • Short-circuit relays and / or low-ohmic resistors and / or other cell-specific short-circuit devices are connected between the anode and cathode of the fuel cell system.
  • the anode and the anode line path are dried with air
  • the air for drying preferably from the cathode line path into the anode line path and the anode flows, the air flowing in particular through a purge valve for regularly discharging an anode gas mixture and / or through a drain valve for discharging excess water into the anode conduction path and the anode.
  • the hydrogen supply can preferably be stopped and the exhaust air inlet for discharging the air for drying can be at least partially closed.
  • the exhaust air access can at least partially be closed within the scope of an embodiment of the exhaust air access in the form of an exhaust air throttle, for example by throttling the exhaust air.
  • An air flow from the cathode conduction path into the anode conduction path is promoted by means of a throttling or a partial closing of the exhaust air inlet.
  • the flows Air preferably through a purge valve arranged within the fuel cell system and / or a drain valve arranged within the fuel cell system into the anode or the anode conduction path.
  • a recirculation fan is used when drying the anode and the anode conduction path to amplify the air flow for drying, the recirculation fan preferably only being switched on when required . After the drying process has taken place, the recirculation fan can preferably be switched off. In addition, the purge and drain valves from the anode conduction path can then also be closed again.
  • the invention can also advantageously provide that the cathode and the cathode conduction path are dried with air, with the bypass valve prior to drying the cathode and the cathode conduction path is closed and the exhaust air access for the removal of air is at least partially opened.
  • further system components of the fuel cell system such as, for example, air compressors or the like, can preferably be switched off.
  • the exhaust air access can meanwhile be partially open or closed.
  • the invention also relates to a fuel cell system for carrying out a method described above.
  • the fuel cell system in question here comprises an anode, a cathode, an anode conduction path for transporting hydrogen between a hydrogen reservoir and an exhaust air access, a cathode conduction path for the Transport of air between an air access and the exhaust air access, wherein the cathode line path has an air supply path for the cathode and a cathode-side line part for bridging the air supply path and wherein the anode line path has a purge line with a purge valve for regularly discharging the anode gas mixture from the anode line path and a Has drain line for discharging excess water from the anode and the anode conduction path.
  • the fuel cell system in question is characterized in that the purge line is arranged separately from the drain line.
  • the fuel cell system according to the invention thus brings the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system.
  • a separate arrangement of the purge and drain lines is understood in particular to mean that both lines are completely separated from one another and have no common line parts.
  • the inventive arrangement of a purge valve separate from a drain valve can, in particular, ensure a pressure gradient necessary for the drying provided in the object when the air is introduced from the cathode conduction path into the anode conduction path.
  • the purge line can preferably be arranged between a recirculation fan and a jet pump for introducing hydrogen into the anode of the fuel cell.
  • the purge line and the drain line have different accesses to the cathode line path.
  • the purge valve is arranged between the anode and a jet pump for introducing hydrogen into the anode of the fuel cell system.
  • a turbine is provided, the purge line and the drain line being arranged at different positions of the cathode line path, the purge line and the drain line are preferably connected to the cathode conduction path in such a way that, due to the arrangement of the purge line and the drain line, there is a pressure gradient between the air inlet into the anode and the air outlet from the anode.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a fuel cell system as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the anode of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the cathode of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 5 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 7 is a schematic representation of an inventive
  • Fuel cell system in normal operation according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system 2 for use in a motor vehicle.
  • the method in question comprises the step of releasing 50 a cathode-side line part 4b ”of a cathode line path 4b for at least partially bridging an air supply path 4 'in the cathode 8 of the fuel cell system 2.
  • a releasing 50 of the cathode-side line part 4b” can in particular be done by opening a Bypass valve 48 take place, with an exhaust air inlet 30 for the removal of air preferably being opened at least in part.
  • a current flow is then generated 52 to break down the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system 2 and the step of making 54 a short circuit between anode 6 and cathode 8 of the fuel cell system 2 to break down the oxygen and / or Hydrogen concentration within the fuel cell system 2.
  • the reduction of the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system 2 can include, in particular, the use of short-circuit relays and / or low-resistance resistors and / or other cell-specific short-circuit devices, for example between the anode 6 and the cathode 8 of the fuel cell system 2 can be switched.
  • the drying 56 of the anode 6 and of the anode conduction path 4a can in particular take place with air, the air for drying preferably flowing out of the cathode conduction path 4b into the anode conduction path 4a and the anode 6, the air in particular through a purge valve 46 for regular discharge an anode gas mixture and / or through a drain valve 28 for discharging excess water into the anode conduction path 4a and the anode 6.
  • a recirculation fan 22 is used when drying 56 the anode 6 and the anode conduction path 4a to increase the air flow for drying, the recirculation fan 22 preferably only being able to be switched on when required.
  • the drying 58 of the cathode 8 and of the cathode conduction path 4b can likewise take place with air, with the cathode 8 as well as before drying 58 of the cathode conduction path 4b, the bypass valve 48 is preferably closed - and the exhaust air inlet 30 can be opened at least in part to remove air.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the anode 6 of a fuel cell system 2 according to the invention.
  • the drying process according to the invention preferably comprises the steps of interrupting 70 a hydrogen supply, at least partially closing 72 an exhaust air inlet 30, in particular in the form of throttling an exhaust throttle, opening 74 of the purge valve 46 arranged within the anode conduction path 4a, which, for example, by the operation of the anode recirculation fan 22 can be supported as well as the step of opening 76 the drain valve 28 arranged within the anode conduction path 4a.
  • a check 78 is finally carried out with regard to a current drying state the anode 6, which can be followed by the step of shutting down 80 the recirculation fan 22 when a preferably freely definable minimum level of a drying state is reached.
  • FIG 3 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the cathode of a fuel cell system 2 according to the invention.
  • the cathode bypass valve is initially closed 90 before an exhaust air inlet 30, preferably in the form of dethrottling of an exhaust throttle, is opened in a second method step.
  • the current drying state of the cathode 8 is finally checked, which can be followed by the step of switching off the air compressor or possibly closing the exhaust throttle when a freely definable minimum level of drying is reached.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a first exemplary embodiment.
  • the fuel cell system 2 comprises an anode 6, a cathode 8 and an anode line path 4a for transporting hydrogen between a hydrogen reservoir 14 and an exhaust air access 30 and a cathode line path 4b for transporting air between an air access 34 and the exhaust air access 30.
  • the cathode line path 4b comprises an air supply path 4b 'for the cathode 8 and a cathode-side line part 4b' 'for bridging the air supply path 4'.
  • a bypass valve 48 is also arranged within the cathode-side line part 4b ′′.
  • the anode line path 4a also has a purge line 4a 'with a purge valve 46 for regularly discharging the anode gas mixture from the anode line path 4a and a drain line 4a' 'with a drain valve 28 for removing excess water from the anode 6 and the Anode conduction path 4a.
  • the fuel cell system 2 in question is characterized in that the purge line 4a is designed separately from the drain line 4a ′′ and in particular has different accesses to the cathode line path 4a. This ensures a pressure gradient within the anode conduction path 4a that is necessary for carrying out the method according to the invention.
  • the purge line 4 ‘is here arranged between a recirculation fan 22 of the anode line path 4a and a jet pump 20 for introducing hydrogen into the anode 6 of the fuel cell system 2.
  • a shut-off valve 16 and a pressure regulator 18 are also arranged between the hydrogen reservoir 14 and the jet pump 20.
  • the drain line 4a ′′ further comprises a water separator 24 and a water container 26, which are arranged in front of the drain valve.
  • the fuel cell system 2 in the present case also includes the electrical line path 4c and the cooling line path 4d, which connects the vehicle cooler 12 to the fuel cell stack cooler 10.
  • the cathode conduction path 4b further comprises an air filter 34 arranged after the air inlet 34 'for cleaning the supplied air as well as a heat exchanger 32 arranged within the air supply path 4b'.
  • the electrical conduction system 4c also includes a traction battery 36 and a Battery 38 for storing electrical energy and an inverter 40 for converting a direct current into an alternating current to drive the motor 42 or the transmission 44.
  • a traction battery 36 and a Battery 38 for storing electrical energy
  • an inverter 40 for converting a direct current into an alternating current to drive the motor 42 or the transmission 44.
  • air flows through the cathode 8 and the anode gas mixture or the anode condensate can escape through the purge line 4a 'or the drain line 4a "into the exhaust air access 30 as required.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in a first phase of shutting down the fuel cell system 2 according to a first exemplary embodiment.
  • the cathode 8 is bypassed by opening the bypass valve 48 within the cathode line path 4b, and at the same time the exhaust air access 30 is at least partially opened so that air can flow in the direction of the exhaust air access 30 via the cathode-side line part 4b ”.
  • this can be dethrottled, for example.
  • current is also drawn in the present case via the DC / DC converter 40 and the residual oxygen is completely removed from the fuel cell system 2 by short-circuiting the anode 6 and the cathode 8.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in a second phase of shutting down the fuel cell system 2 according to a first exemplary embodiment. In this second phase the drying process of the anode 6 is initiated.
  • the drying of the anode 6 is mainly not carried out with hydrogen, as is customary, but with air.
  • the hydrogen supply from the hydrogen reservoir 14 is first switched off and the exhaust air inlet 30 is at least partially closed so that the air can flow into the anode conduction path 4a. This is done by opening the purge and drain valves 46, 28.
  • the pressure gradient of the air already ensures a flow through the anode conduction path 4a, which can be further increased by operating the recirculation fan 22 within the anode conduction path 4a.
  • the recirculation fan 22 is switched off within the anode conduction path 4a and the purge valve 46 and the drain valve 28 are closed.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in a third phase of shutting down the fuel cell system 2 according to a first exemplary embodiment.
  • the drying process of the cathode 8 is initiated.
  • the cathode bypass 4b is initially closed by closing the bypass valve 48, while the exhaust air access 30 is at least partially opened.
  • the cathode conduction path 4b and the cathode 8 of the fuel cell system 2 have dry air flowing through them.
  • the air compressor or the recirculation fan 22 can be switched off.
  • the drying processes of the anode 6 and the cathode 8 do not have to take place strictly one after the other, but can also take place at least partially parallel to one another.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a second exemplary embodiment.
  • the feed line to the purge valve 46 is placed between the jet pump 20 and the anode 6.
  • Such an arrangement is particularly suitable for systems without a circulation fan 22.
  • the composition of the cathode line path 4b shown in FIGS. 4 to 7 from an air supply path 4b 'and a cathode-side line part 4b is just as little explicitly shown as the composition of the anode line path 4a from a purge line 4a 'and a drain line 4a “.
  • the anode line path 4a and the cathode line path 4b are also formed in the examples according to FIGS. 8 and 9 from the relevant paths or line parts.
  • the fuel cell system 2 according to the invention represents a system with a turbine, which allows the inlet points for the parts of the anode conduction path 4a connected to the purge valve 46 or for those with the drain valve 28 due to the pressure loss across the turbine connected parts to ensure different locations or inlet positions on the cathode conduction path 4b.
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a fourth exemplary embodiment.
  • the line of the anode line path 4a connected to the drain valve 28 is arranged after a shut-off valve arranged at the end and not, as in the third exemplary embodiment, between this valve and the recirculation fan 22 of the cathode line path 4b.

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Abstract

The invention relates to a method for optimizing a deactivation procedure of a fuel cell system (2) for use in a motor vehicle, comprising the steps of enabling (50) a cathode-side line component (4b''), a cathode line path (4b) for at least partially bypassing an air supply path (4b') of the cathode (8) of the fuel cell system (2), generating (52) a current flow in order to reduce the concentration of oxygen and/or hydrogen within the fuel cell system (2), producing (54) a short circuit between the anode (6) and cathode (8) of the fuel cell system (2) in order to reduce the concentration of oxygen and/or hydrogen within the fuel cell system (2), drying (56) the anode (6) and the anode line path (4a) in order to remove water, drying (58) the cathode (8) and the cathode line path (4b) in order to remove water, and deactivating (60) the fuel cell system (2).

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur einesMethod for optimizing a shutdown procedure of a
Brennstoffzellensystems Fuel cell system
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug sowie von einem Brennstoffzellensystem zur Ausführung des betreffenden Verfahrens. The present invention is based on a method for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle and a fuel cell system for carrying out the relevant method.
Stand der Technik State of the art
Die Hauptphasen im Hinblick auf Degradationsmechanismen für Brennstoffzellen-Stacks sind die Start- und Stoppphasen von Brennstoffzellensystemen. Ein wichtiger Degradationsmechanismus ist hierbei die Wasserstoff-Luft- Front in der Anode beim Start bzw. die anstehende hohe Leerlaufspannung von Brennstoffzellen in der Abstellphase. Die für Brennstoffzellensysteme schädliche Leerlaufspannung ergibt sich hierbei dann, wenn die Anode mit Wasserstoff und die Kathode mit Sauerstoff versorgt werden, ohne dass eine elektrische Last anliegt. The main phases with regard to degradation mechanisms for fuel cell stacks are the start and stop phases of fuel cell systems. An important degradation mechanism here is the hydrogen-air front in the anode at start-up or the high open circuit voltage of fuel cells in the shutdown phase. The no-load voltage, which is harmful to fuel cell systems, occurs when the anode is supplied with hydrogen and the cathode with oxygen without an electrical load being applied.
Bevor ein Brennstoffzellensystem abgestellt wird und eine Stoppphase eingeleitet wird, werden sowohl das Wasserstoff- als auch das Luftsystem in der Regel trockengeblasen, um den Brennstoffzellen-Stack und das gesamte System vor Frostschäden zu schützen. Die Reinigung der Anode bzw. des Anodenleitungspfades erfolgt hierbei mittels frischem Wasserstoff, der die Anode sowie den Anodenleitungspfad durchströmt und durch ein geöffnetes Purge-Ventil bzw. ggf. ein Drain-Ventil in einen Auspuff gelangt. Zur Abführung des Wasserstoffs ist aus sicherheitstechnischen Gründen allerdings eine ausreichende Verdünnung mittels eines Luftmassenstroms notwendig. Zur Trocknung der Kathode wird entsprechend Luft durch die Kathode geblasen. Während der genannten Trocknungsvorgänge entstehen elektrochemische Potenziale in den Zellen, sodass sich nach einiger Zeit eine voranstehend beschriebene Leerlaufspannung an den Elektroden der Brennstoffzelle ausbildet, die für die betreffenden Systeme schädigend ist. Das Anliegen einer Leerlaufspannung kann zwar verhindert werden, indem während der Trocknungsvorgänge ein nennenswerter Strom gezogen wird, allerdings sorgt dies wiederum für eine erhöhte Wasserproduktion, was wiederum eine Trocknung erfordert. Before a fuel cell system is shut down and a stop phase is initiated, both the hydrogen and the air system are usually blown dry in order to protect the fuel cell stack and the entire system from frost damage. The anode or the anode conduction path is cleaned using fresh hydrogen, which flows through the anode and the anode conduction path and reaches an exhaust through an open purge valve or possibly a drain valve. For safety reasons, however, sufficient dilution by means of an air mass flow is necessary to remove the hydrogen. To dry the cathode, air is blown through the cathode accordingly. During the drying processes mentioned, electrochemical potentials arise in the cells, so that after some time an open circuit voltage described above develops on the electrodes of the fuel cell, which is harmful to the systems concerned. The presence of an open circuit voltage can be prevented by drawing a significant current during the drying process, but this in turn leads to increased water production, which in turn requires drying.
Nach Beendigung der Trocknungsvorgänge ist es auf jeden Fall wichtig, dass der Sauerstoff in der Kathode abreagiert wird, damit keine Leerlaufspannung über längere Zeit an den Elektroden der Brennstoffzelle anliegt. Zur Verhinderung der Bildung einer Leerlaufspannung müssen zusätzlich die innerhalb eines Kathodenleitungspfades angeordneten Rückschlagventile während der Abstellphase geschlossen werden und luftdicht verbleiben. Nachteiliger Weise müssen diese Ventile jedoch oft nachgedruckt werden, um Abdichtungsverluste effektiv zu kompensieren. After the drying process has ended, it is always important that the oxygen is reacted in the cathode so that no open circuit voltage is applied to the electrodes of the fuel cell for a long time. To prevent the formation of an open circuit voltage, the check valves arranged within a cathode conduction path must also be closed during the shutdown phase and remain airtight. Unfortunately, however, these valves often have to be reprinted in order to effectively compensate for sealing losses.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines derartigen Verfahrens. 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 System beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. According to a first aspect, the subject matter of the invention is a method for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system and, according to a second aspect, a fuel cell system for carrying out such a method. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the system according to the invention naturally also apply in connection with the motor vehicle according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to the individual aspects of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug dient insbesondere der Eliminierung von schädigenden elektrochemischen Potenzialen während der Trocknungsvorgänge und der Abstellphase. Durch die Eliminierung der schädigenden elektrochemischen Potenzialen während des Abstellvorganges und der Abstellphase ist eine Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen sowie auch eine Reduzierung der Kosten betreffender Systeme, insbesondere durch den Entfall notwendiger Absperrventile möglich. Zudem kann durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems eine verbesserte Trocknung sowie eine Reduzierung der Betriebskosten und der sicherheitskritischen Verfahrensmerkmale durch die Eliminierung eines Wasserstoffverbrauchs während des Trocknungsvorgangs der Anode erzielt werden. The method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle is used in particular to eliminate harmful electrochemical potentials during the drying process and the shutdown phase. By eliminating the damaging electrochemical potentials during the shutdown process and the shutdown phase, it is possible to increase the service life of fuel cell systems and also to reduce the costs of the systems concerned, in particular by eliminating the need for shut-off valves. In addition, by using the system according to the invention, improved drying and a reduction in operating costs and the safety-critical process features can be achieved by eliminating hydrogen consumption during the drying process of the anode.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug umfasst hierbei die Schritte eines Freigebens eines kathodenseitigen Leitungsteils eines Kathodenleitungspfades zur zumindest tlw. Überbrückung eines Luftversorgungspfades der Kathode des Brennstoffzellensystems, eines Erzeugens eines Stromflusses zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems, eines Herstellens eines Kurzschlusses zwischen Anode und Kathode des Brennstoffzellensystems zum Abbauen der Sauerstoff und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems, eines Trocknens der Anode sowie des Anodenleitungspfades zur Entfernung von Wasser, eines Trocknens der Kathode sowie des Kathodenleitungspfades zur Entfernung von Wasser sowie eines Abschaltens des Brennstoffzellensystems. The method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle comprises the steps of releasing a cathode-side line part of a cathode line path for at least partially bridging an air supply path of the cathode of the fuel cell system, generating a current flow to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system, creating a short circuit between the anode and cathode of the fuel cell system to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system, drying the anode and the anode conduction path to remove water, drying the cathode and the cathode conduction path to remove water and a shutdown of the fuel cell system.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems kann vorzugsweise in einem Personenkraftwagen oder in einem Lastkraftwagen angewendet werden. Ebenso ist ein Einsatz in Schiffen, Flugobjekten oder auch in stationären Systemen oder dergleichen denkbar. Das gegenständliche Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein Teil eines Brennstoffzellen-Stacks, der insbesondere aus einer Vielzahl von verschalteten Brennstoffzellen gebildet sein kann. Es versteht sich daher, dass die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, die in Bezug auf eine Brennstoffzelle beschrieben sind, im Rahmen einer Anordnung einer Vielzahl von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellen-Stacks parallel in allen verschalteten Brennstoffzellen, vorzugsweise gleichzeitig ausgeführt werden können. Unter einem Kathodenleitungspfad wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise die Gesamtheit aller zur Zu- und Abführung von Luft bzw. Sauerstoff zur Kathode (bzw. von der Kathode weg) führenden Leitungen verstanden. Unter einem Anodenleitungspfad wird entsprechend die Gesamtheit aller zur Zu- und Abführung von Wasserstoff zur Anode (bzw. von der Anode weg) führenden Leitungen verstanden. Unter dem Herstellen eines Kurzschlusses wird erfindungsgemäß vorzugsweise das Herstellen einer direkten elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kathode, bspw. über einen spezifischen elektrischen Widerstand verstanden. Durch das Erzeugen eines Stromflusses bzw. das Kurzschließen von Anode und Kathode zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems wird insbesondere besonders effektiv eine für das Brennstoffzellensystem schädigende Leerlaufspannung abgebaut. Das Erzeugen eines Stromflusses kann hierbei bspw. auch über das Anschließen eines DC/DC- Wandlers an die Kathode und Anode erfolgen. Die dadurch erzeugte elektrische Energie kann dann bspw. in einem mit dem DC/DC-Wandler verbundenen Energiespeicher gespeichert werden. Gemäß dem gegenständlichen Verfahren vorgesehene Trocknungsvorgänge der Anode und Kathode müssen hierbei nicht strikt nacheinander ausgeführt werden, sondern können auch zumindest tlw. parallel zueinander erfolgen. The method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system can preferably be used in a passenger car or in a truck. Use in ships, flying objects or also in stationary systems or the like is also conceivable. The fuel cell system in question is preferably part of a fuel cell stack, which can in particular be formed from a multiplicity of interconnected fuel cells. It is therefore understood that the method steps according to the invention, which are described with reference to a fuel cell, in the context of an arrangement of a plurality of fuel cells within a fuel cell stack in parallel in all interconnected fuel cells, preferably can be run simultaneously. In the context of the invention, a cathode conduction path is preferably understood to mean the entirety of all conduits leading to the supply and discharge of air or oxygen to the cathode (or away from the cathode). An anode line path is understood to mean the entirety of all lines leading to the supply and removal of hydrogen to the anode (or away from the anode). According to the invention, the creation of a short circuit is preferably understood to mean the creation of a direct electrical connection between anode and cathode, for example via a specific electrical resistance. By generating a current flow or short-circuiting the anode and cathode to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system, an open circuit voltage that is damaging to the fuel cell system is reduced particularly effectively. A current flow can also be generated by connecting a DC / DC converter to the cathode and anode, for example. The electrical energy thus generated can then, for example, be stored in an energy store connected to the DC / DC converter. In this case, drying processes of the anode and cathode provided according to the method in question do not have to be carried out strictly one after the other, but can also take place at least partially in parallel with one another.
Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass durch eine gezielte Kombination der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, insbesondere durch die Kombination von zellenindividuellem Kurzschluss, einer spezifischen Ausführung des gegenständlichen Anodenleitungspfades sowie einer dezidierten Betriebsstrategie, eine Leerlaufspannung an den Elektroden der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks effektiv eliminiert werden kann. Hierdurch wird nicht nur die Lebensdauer betreffende Systeme erhöht, sondern auch die Kosten für derartige Systeme reduziert, indem bspw. Absperrventile entfallen und der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden kann. In the context of the invention, it has been recognized that an open circuit voltage at the electrodes of the fuel cells of a fuel cell stack can be effectively eliminated through a targeted combination of the method steps according to the invention, in particular through the combination of cell-specific short-circuits, a specific design of the anode lead path in question and a dedicated operating strategy can. This not only increases the lifespan of the systems, but also reduces the costs for such systems, for example by eliminating shut-off valves and reducing hydrogen consumption.
Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Art und Weise einer Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems, insbesondere hinsichtlich einer einfachen und effektiven Trocknung eines Brennstoffzellensystems, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das Freigeben des kathodenseitigen Leitungsteils über das Öffnen eines Bypassventils erfolgt, wobei vorzugsweise zusätzlich ein Abluftzugang zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet wird. Ein Abluftzugang kann hierbei vorzugsweise in Form eines Drosselventils, insbesondere in Form einer Abluftdrossel gebildet sein. Ein zumindest tlw. Öffnen eines Abluftzugangs kann im Rahmen einer Ausführung des Abluftzugangs in Form einer Abluftdrossel bspw. über eine Entdrosselung der Abluftdrossel erfolgen. With regard to a structurally simple way of optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system, in particular with regard to simple and effective drying of a fuel cell system, can According to the invention, it can be provided in particular that the cathode-side line part is released by opening a bypass valve, with an exhaust air inlet for discharging air preferably also being opened at least in part. An exhaust air access can in this case preferably be in the form of a throttle valve, in particular in the form of an exhaust air throttle. An exhaust air access can at least partially be opened within the scope of an embodiment of the exhaust air access in the form of an exhaust air throttle, for example by dethrottling the exhaust air throttle.
Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Art und Weise zur Gewährleistung eines Abbaus der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration bzw. der Leerlaufspannung innerhalb des Brennstoffzellensystems kann im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems Kurzschlussrelais und/oder niederohmige Widerstände und/oder sonstige zellenindividuelle Kurzschlussvorrichtungen zwischen die Anode und Kathode des Brennstoffzellensystems geschaltet werden. With regard to a structurally simple way of ensuring a reduction in the oxygen and / or hydrogen concentration or the open circuit voltage within the fuel cell system, it can advantageously also be provided within the scope of the invention that to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system Short-circuit relays and / or low-ohmic resistors and / or other cell-specific short-circuit devices are connected between the anode and cathode of the fuel cell system.
Im Hinblick auf eine einfache, effektive und kostengünstige Art und Weise der Trocknung der Anode und des Anodenleitungspfades kann gegenständlich insbesondere vorgesehen sein, dass das Trocknen der Anode sowie des Anodenleitungspfades mit Luft erfolgt, wobei die Luft zum Trocknen vorzugsweise aus dem Kathodenleitungspfad in den Anodenleitungspfad und die Anode strömt, wobei die Luft insbesondere durch ein Purge-Ventil zum regelmäßigen Ausleiten eines Anodengasgemisches und/oder durch ein Drain-Ventil zur Abführung eines Wasserüberschusses in den Anodenleitungspfad und die Anode strömt. Hierbei kann zur Generierung eines Druckgefälles zur Begünstigung eines Trocknungsvorgangs vor dem Trocknen der Anode sowie des Anodenleitungspfades vorzugsweise die Wasserstoffzufuhr gestoppt und der Abluftzugang zur Abführung der Luft zum Trocknen zumindest tlw. geschlossen werden. Ein zumindest tlw. Schließen des Abluftzugangs kann im Rahmen einer Ausführung des Abluftzugangs in Form einer Abluftdrossel bspw. über eine Drosselung der Abluft erfolgen. Mittels einer Drosselung bzw. eines tlw. Schließens des Abluftzuganges wird ein Luftstrom aus dem Kathodenleitungspfad in den Anodenleitungspfad begünstigt. Hierbei strömt die Luft vorzugsweise durch ein innerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnetes Purge-Ventil und/oder ein innerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnetes Drain-Ventil in die Anode bzw. den Anodenleitungspfad. Bezüglich der Trocknung der Anode bzw. des Anodenleitungspfades ist im Rahmen der Erfindung insbesondere erkannt worden, dass eine Vermischung des in der Anode vorhandenen Wasserstoffs mit der einströmenden Luft zum Trocknen der Anode und des Anodenleitungspfades für die kurzgeschlossenen Zellen nicht schädigend ist. With regard to a simple, effective and inexpensive way of drying the anode and the anode line path, it can be provided in particular that the anode and the anode line path are dried with air, the air for drying preferably from the cathode line path into the anode line path and the anode flows, the air flowing in particular through a purge valve for regularly discharging an anode gas mixture and / or through a drain valve for discharging excess water into the anode conduction path and the anode. In this case, to generate a pressure gradient to promote a drying process before drying the anode and the anode conduction path, the hydrogen supply can preferably be stopped and the exhaust air inlet for discharging the air for drying can be at least partially closed. The exhaust air access can at least partially be closed within the scope of an embodiment of the exhaust air access in the form of an exhaust air throttle, for example by throttling the exhaust air. An air flow from the cathode conduction path into the anode conduction path is promoted by means of a throttling or a partial closing of the exhaust air inlet. Here the flows Air preferably through a purge valve arranged within the fuel cell system and / or a drain valve arranged within the fuel cell system into the anode or the anode conduction path. With regard to the drying of the anode or the anode conduction path, it has been recognized in particular within the scope of the invention that mixing of the hydrogen present in the anode with the inflowing air for drying the anode and the anode conduction path is not harmful to the short-circuited cells.
Im Hinblick auf einen besonders effektiven Trocknungsvorgang, insbesondere eine Generierung eines besonders starken Stroms kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass beim Trocknen der Anode sowie des Anodenleitungspfades zur Verstärkung des Luftstroms zur Trocknung, ein Rezirkulationsgebläse verwendet wird, wobei das Rezirkulationsgebläse vorzugsweise nur bei Bedarf zugeschaltet wird. Nach einem erfolgten Trocknungsvorgang kann das Rezirkulationsgebläse vorzugsweise abgeschaltet werden. Zusätzlich können dann auch das Purge- und das Drain-Ventil aus dem Anodenleitungspfad wieder geschlossen werden. With regard to a particularly effective drying process, in particular the generation of a particularly strong current, provision can also be made that a recirculation fan is used when drying the anode and the anode conduction path to amplify the air flow for drying, the recirculation fan preferably only being switched on when required . After the drying process has taken place, the recirculation fan can preferably be switched off. In addition, the purge and drain valves from the anode conduction path can then also be closed again.
Im Hinblick auf eine einfache, kostengünstige und effektive Entfernung von Wasser aus der Kathode bzw. dem Kathodenleitungspfad kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass das Trocknen der Kathode sowie des Kathodenleitungspfades mit Luft erfolgt, wobei vor einem Trocknen der Kathode sowie des Kathodenleitungspfades das Bypassventil geschlossen wird und der Abluftzugang zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet wird. Nachdem die Kathode und der Kathodenleitungspfad ausreichend getrocknet wurden, können vorzugsweise weitere Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems, wie bspw. Luftverdichter oder dergleichen abgestellt werden. Der Abluftzugang kann derweil teilweise geöffnet oder geschlossen sein. With regard to a simple, inexpensive and effective removal of water from the cathode or the cathode conduction path, the invention can also advantageously provide that the cathode and the cathode conduction path are dried with air, with the bypass valve prior to drying the cathode and the cathode conduction path is closed and the exhaust air access for the removal of air is at least partially opened. After the cathode and the cathode conduction path have been sufficiently dried, further system components of the fuel cell system, such as, for example, air compressors or the like, can preferably be switched off. The exhaust air access can meanwhile be partially open or closed.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens. Hierbei umfasst das gegenständliche Brennstoffzellensystem eine Anode, eine Kathode, einen Anodenleitungspfad zum Transport von Wasserstoff zwischen einem Wasserstoffreservoir und einem Abluftzugang, einen Kathodenleitungspfad zum Transport von Luft zwischen einem Luftzugang und dem Abluftzugang, wobei der Kathodenleitungspfad einen Luftversorgungspfad für die Kathode sowie einen kathodenseitigen Leitungsteil zur Überbrückung des Luftversorgungspfades aufweist und wobei der Anodenleitungspfad eine Purge-Leitung mit einem Purge-Ventil zum regelmäßigen Ausleiten des Anodengasgemisches aus dem Anodenleitungspfad sowie eine Drain-Leitung zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode und dem Anodenleitungspfad aufweist. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche Brennstoffzellensystem dadurch aus, dass die Purge-Leitung getrennt von der Drain-Leitung angeordnet ist. Damit bringt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems beschrieben worden sind. Unter einer getrennten Anordnung der Purge- und Drain-Leitung wird im Rahmen der Erfindung hierbei insbesondere verstanden, dass beide Leitungen vollständig voneinander separiert sind und keine gemeinsamen Leitungsteile aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Purge-Ventils getrennt von einem Drain-Ventil kann insbesondere ein zur gegenständlich vorgesehenen Trocknung notwendiges Druckgefälle bei der Einführung der Luft aus dem Kathodenleitungspfad in den Anodenleitungspfad gewährleistet werden. Bezüglich der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Purge-Leitung hierbei vorzugsweise zwischen einem Rezirkulationsgebläse und einer Strahlpumpe zur Einführung von Wasserstoff in die Anode der Brennstoffzelle angeordnet sein. The invention also relates to a fuel cell system for carrying out a method described above. The fuel cell system in question here comprises an anode, a cathode, an anode conduction path for transporting hydrogen between a hydrogen reservoir and an exhaust air access, a cathode conduction path for the Transport of air between an air access and the exhaust air access, wherein the cathode line path has an air supply path for the cathode and a cathode-side line part for bridging the air supply path and wherein the anode line path has a purge line with a purge valve for regularly discharging the anode gas mixture from the anode line path and a Has drain line for discharging excess water from the anode and the anode conduction path. The fuel cell system in question is characterized in that the purge line is arranged separately from the drain line. The fuel cell system according to the invention thus brings the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system. In the context of the invention, a separate arrangement of the purge and drain lines is understood in particular to mean that both lines are completely separated from one another and have no common line parts. The inventive arrangement of a purge valve separate from a drain valve can, in particular, ensure a pressure gradient necessary for the drying provided in the object when the air is introduced from the cathode conduction path into the anode conduction path. With regard to the arrangement according to the invention, the purge line can preferably be arranged between a recirculation fan and a jet pump for introducing hydrogen into the anode of the fuel cell.
Im Hinblick auf eine effektive Trocknung der Anode bzw. des Anodenleitungspfades kann es ferner insbesondere vorgesehen sein, dass die Purge-Leitung und die Drain-Leitung unterschiedliche Zugänge zum Kathodenleitungspfad aufweisen. With regard to effective drying of the anode or the anode line path, it can furthermore be provided in particular that the purge line and the drain line have different accesses to the cathode line path.
Im Hinblick auf eine weitere vorteilhafte Anordnung kann ebenso vorgesehen sein, dass das Purge-Ventil zwischen der Anode und einer Strahlpumpe zur Einführung von Wasserstoff in die Anode des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Im Rahmen einer flexiblen Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann gegenständlich vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass eine Turbine vorgesehen ist, wobei die Purge-Leitung und die Drain-Leitung an verschiedenen Positionen des Kathodenleitungspfades angeordnet sind, wobei die Purge-Leitung und die Drain-Leitung vorzugsweise derart mit dem Kathodenleitungspfad verbunden sind, dass bedingt durch die Anordnung der Purge-Leitung und der Drain-Leitung ein Druckgefälle zwischen Lufteinlass in die Anode und Luftauslass aus der Anode vorliegt. With regard to a further advantageous arrangement, it can also be provided that the purge valve is arranged between the anode and a jet pump for introducing hydrogen into the anode of the fuel cell system. In the context of a flexible arrangement of the fuel cell system according to the invention, it can furthermore advantageously be provided that a turbine is provided, the purge line and the drain line being arranged at different positions of the cathode line path, the purge line and the drain line are preferably connected to the cathode conduction path in such a way that, due to the arrangement of the purge line and the drain line, there is a pressure gradient between the air inlet into the anode and the air outlet from the anode.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem. The invention also relates to a motor vehicle comprising a fuel cell system as described above.
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. Further advantages, features and details of the invention emerge 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 be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system for use in a motor vehicle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Anode eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 2 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the anode of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Kathode eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 3 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the cathode of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßenFig. 4 is a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßenFuel cell system in normal operation according to a first embodiment, Fig. 5 is a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einer ersten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fuel cell system in a first phase of shutting down the fuel cell system according to a first embodiment,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen6 shows a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einer zweiten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fuel cell system in a second phase of shutting down the fuel cell system according to a first embodiment,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßenFig. 7 is a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einer dritten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fuel cell system in a third phase of shutting down the fuel cell system according to a first embodiment,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen8 shows a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fuel cell system in normal operation according to a second embodiment,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen9 shows a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, Fuel cell system in normal operation according to a third embodiment,
Fig.10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen10 is a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Fuel cell system in normal operation according to a fourth embodiment.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems 2 zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system 2 for use in a motor vehicle.
Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren den Schritt eines Freigebens 50 eines kathodenseitigen Leitungsteils 4b” eines Kathodenleitungspfades 4b zur zumindest tlw. Überbrückung eines Luftversorgungspfades 4’ in der Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2. Ein Freigeben 50 des kathodenseitigen Leitungsteils 4b“ kann hierbei insbesondere über das Öffnen eines Bypassventils 48 erfolgen, wobei vorzugsweise zusätzlich ein Abluftzugang 30 zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet wird. Here, the method in question comprises the step of releasing 50 a cathode-side line part 4b ”of a cathode line path 4b for at least partially bridging an air supply path 4 'in the cathode 8 of the fuel cell system 2. A releasing 50 of the cathode-side line part 4b” can in particular be done by opening a Bypass valve 48 take place, with an exhaust air inlet 30 for the removal of air preferably being opened at least in part.
Gemäß einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein Erzeugen 52 eines Stromflusses zum Abbauen der Sauerstoff und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems 2 sowie der Schritt eines Herstellens 54 eines Kurzschlusses zwischen Anode 6 und Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2 zum Abbauen der Sauerstoff und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems 2. Hierbei kann das Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems 2 insbesondere die Verwendung von Kurzschlussrelais und/oder niederohmigen Widerständen und/oder sonstige zellenindividuelle Kurzschlussvorrichtungen umfassen, die bspw. zwischen die Anode 6 und die Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2 geschaltet werden können. According to a second step of the method according to the invention, a current flow is then generated 52 to break down the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system 2 and the step of making 54 a short circuit between anode 6 and cathode 8 of the fuel cell system 2 to break down the oxygen and / or Hydrogen concentration within the fuel cell system 2. Here, the reduction of the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system 2 can include, in particular, the use of short-circuit relays and / or low-resistance resistors and / or other cell-specific short-circuit devices, for example between the anode 6 and the cathode 8 of the fuel cell system 2 can be switched.
Darauffolgend erfolgt schließlich ein Trocknen 56 der Anode 6 sowie des Anodenleitungspfades 4a zur Entfernung von Wasser sowie ein Trocknen 58 der Kathode 8 sowie des Kathodenleitungspfades 4b zur Entfernung von Wasser. This is followed by drying 56 of the anode 6 and of the anode conduction path 4a to remove water and drying 58 of the cathode 8 and of the cathode conduction path 4b to remove water.
Das Trocknen 56 der Anode 6 sowie des Anodenleitungspfades 4a kann hierbei insbesondere mit Luft erfolgen, wobei die Luft zum Trocknen vorzugsweise aus dem Kathodenleitungspfad 4b in den Anodenleitungspfad 4a und die Anode 6 strömt, wobei die Luft insbesondere durch ein Purge-Ventil 46 zum regelmäßigen Ausleiten eines Anodengasgemisches und/oder durch ein Drain-Ventil 28 zur Abführung eines Wasserüberschusses in den Anodenleitungspfad 4a und die Anode 6 strömen kann. The drying 56 of the anode 6 and of the anode conduction path 4a can in particular take place with air, the air for drying preferably flowing out of the cathode conduction path 4b into the anode conduction path 4a and the anode 6, the air in particular through a purge valve 46 for regular discharge an anode gas mixture and / or through a drain valve 28 for discharging excess water into the anode conduction path 4a and the anode 6.
Ferner kann vorgesehen sein, dass beim Trocknen 56 der Anode 6 sowie des Anodenleitungspfades 4a zur Verstärkung des Luftstroms zur Trocknung ein Rezirkulationsgebläse 22 verwendet wird, wobei das Rezirkulationsgebläse 22 vorzugsweise nur bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Furthermore, it can be provided that a recirculation fan 22 is used when drying 56 the anode 6 and the anode conduction path 4a to increase the air flow for drying, the recirculation fan 22 preferably only being able to be switched on when required.
Das Trocknen 58 der Kathode 8 sowie des Kathodenleitungspfades 4b kann ebenfalls mit Luft erfolgen, wobei vor einem Trocknen 58 der Kathode 8 sowie des Kathodenleitungspfades 4b vorzugsweise das Bypassventil 48 geschlossen - und der Abluftzugang 30 zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet werden kann. The drying 58 of the cathode 8 and of the cathode conduction path 4b can likewise take place with air, with the cathode 8 as well as before drying 58 of the cathode conduction path 4b, the bypass valve 48 is preferably closed - and the exhaust air inlet 30 can be opened at least in part to remove air.
Abschließend erfolgt in einem sechsten und letzten Verfahrensschritt schließlich ein Abschalten 60 des Brennstoffzellensystems 2. Finally, in a sixth and final method step, the fuel cell system 2 is switched off 60.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Anode 6 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2. 2 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the anode 6 of a fuel cell system 2 according to the invention.
Hierbei umfasst der erfindungsgemäße Trocknungsvorgang vorzugsweise die Schritte eines Unterbrechens 70 einer Wasserstoffzufuhr, eines zumindest tlw. Schließens 72 eines Abluftzugangs 30, insbesondere in Form einer Drosselung einer Auspuffdrossel, eines Öffnens 74 des innerhalb des Anodenleitungspfades 4a angeordneten Purge-Ventils 46, was bspw. durch den Betrieb des Anoden- Rezirkulationsgebläses 22 unterstützt sein kann sowie den Schritt eines Öffnens 76 des innerhalb des Anodenleitungspfades 4a angeordneten Drain-Ventils 28. Mit dem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Trocknens der Anode 6 und des Anodenleitungspfades 4a erfolgt schließlich einen Prüfen 78 bezüglich eines aktuellen Trocknungszustands der Anode 6, was bei Erreichen eines vorzugsweise frei definierbaren Mindestmaßes eines Trocknungszustandes von dem Schritt eines Abstellens 80 des Rezirkulationsgebläses 22 gefolgt sein kann. Here, the drying process according to the invention preferably comprises the steps of interrupting 70 a hydrogen supply, at least partially closing 72 an exhaust air inlet 30, in particular in the form of throttling an exhaust throttle, opening 74 of the purge valve 46 arranged within the anode conduction path 4a, which, for example, by the operation of the anode recirculation fan 22 can be supported as well as the step of opening 76 the drain valve 28 arranged within the anode conduction path 4a. With the fifth step of drying the anode 6 and the anode conduction path 4a according to the invention, a check 78 is finally carried out with regard to a current drying state the anode 6, which can be followed by the step of shutting down 80 the recirculation fan 22 when a preferably freely definable minimum level of a drying state is reached.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Kathode eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2. 3 shows a schematic representation of the individual steps of a drying process according to the invention of the cathode of a fuel cell system 2 according to the invention.
Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trocknung der Kathode 8 zunächst ein Schließen 90 des Kathodenbypass-Ventils, bevor in einem zweiten Verfahrensschritt eine vorzugsweise in Form einer Entdrosselung einer Auspuffdrossel gebildete zumindest tlw. Öffnung eines Abluftzugangs 30 erfolgt. In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Trocknens der Kathode 8 erfolgt schließlich eine Überprüfung des aktuellen Trocknungszustands der Kathode 8, der bei Erreichen eines frei definierbaren Mindestmaßes eines Trocknungszustandes durch den Schritt eines Abstellens 96 des Luftverdichters oder ggf. eines Schließens der Auspuffdrossel gefolgt sein kann. In a first step of the method according to the invention for drying the cathode 8, the cathode bypass valve is initially closed 90 before an exhaust air inlet 30, preferably in the form of dethrottling of an exhaust throttle, is opened in a second method step. In a third step of the drying of the cathode 8 according to the invention, the current drying state of the cathode 8 is finally checked, which can be followed by the step of switching off the air compressor or possibly closing the exhaust throttle when a freely definable minimum level of drying is reached.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 4 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a first exemplary embodiment.
Hierbei umfasst das Brennstoffzellensystem 2 eine Anode 6, eine Kathode 8 sowie einen Anodenleitungspfad 4a zum Transport von Wasserstoff zwischen einem Wasserstoffreservoir 14 und einem Abluftzugang 30 und einen Kathodenleitungspfad 4b zum Transport von Luft zwischen einem Luftzugang 34 und dem Abluftzugang 30. Hierbei umfasst der Kathodenleitungspfad 4b einen Luftversorgungspfad 4b‘ für die Kathode 8 sowie einen kathodenseitigen Leitungsteil 4b“ zur Überbrückung des Luftversorgungspfades 4’. Zur Überbrückung ist innerhalb des kathodenseitigen Leitungsteils 4b“ zudem ein Bypassventil 48 angeordnet. Der Anodenleitungspfad 4a weist ferner eine Purge-Leitung 4a‘ mit einem Purge-Ventil 46 zum regelmäßigen Ausleiten des Anodengasgemisches aus dem Anodenleitungspfad 4a sowie eine Drain-Leitung 4a“, mit einem Drain-Ventil 28 zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode 6 und dem Anodenleitungspfad 4a auf. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche Brennstoffzellensystem 2 dadurch aus, dass die Purge-Leitung 4a‘ getrennt von der Drain-Leitung 4a“ ausgeführt ist und insbesondere unterschiedliche Zugänge zum Kathodenleitungspfad 4a aufweist. Dies gewährleistet ein zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendiges Druckgefälle innerhalb des Anodenleitungspfades 4a. Die Purge-Leitung 4‘ ist hierbei vorliegend zwischen einem Rezirkulationsgebläse 22 des Anodenleitungspfades 4a und einer Strahlpumpe 20 zur Einführung von Wasserstoff in die Anode 6 des Brennstoffzellensystems 2 angeordnet. Here, the fuel cell system 2 comprises an anode 6, a cathode 8 and an anode line path 4a for transporting hydrogen between a hydrogen reservoir 14 and an exhaust air access 30 and a cathode line path 4b for transporting air between an air access 34 and the exhaust air access 30. Here, the cathode line path 4b comprises an air supply path 4b 'for the cathode 8 and a cathode-side line part 4b' 'for bridging the air supply path 4'. For bridging, a bypass valve 48 is also arranged within the cathode-side line part 4b ″. The anode line path 4a also has a purge line 4a 'with a purge valve 46 for regularly discharging the anode gas mixture from the anode line path 4a and a drain line 4a' 'with a drain valve 28 for removing excess water from the anode 6 and the Anode conduction path 4a. The fuel cell system 2 in question is characterized in that the purge line 4a is designed separately from the drain line 4a ″ and in particular has different accesses to the cathode line path 4a. This ensures a pressure gradient within the anode conduction path 4a that is necessary for carrying out the method according to the invention. The purge line 4 ‘is here arranged between a recirculation fan 22 of the anode line path 4a and a jet pump 20 for introducing hydrogen into the anode 6 of the fuel cell system 2.
Zwischen dem Wasserstoffreservoir 14 und der Strahlpumpe 20 sind ferner noch ein Absperrventil 16 sowie ein Druckregler 18 angeordnet. Die Drain-Leitung 4a“ umfasst ferner einen Wasserabscheider 24 sowie einen Wasserbehälter 26, die vor dem Drain-Ventil angeordnet sind. Neben dem Anodenleitungspfad 4a und dem Kathodenleitungspfad 4b umfasst das Brennstoffzellensystem 2 vorliegend noch den elektrischen Leitungspfad 4c sowie den Kühlleitungspfad 4d, der den Fahrzeugkühler 12 mit dem Brennstoffzellen-Stackkühler 10 verbindet. Der Kathodenleitungspfad 4b umfasst ferner einen nach dem Luftzugang 34‘ angeordneten Luftfilter 34 zur Reinigung der zugeführten Luft sowie einen innerhalb des Luftversorgungspfades 4b‘ angeordneten Wärmetauscher 32. Das elektrische Leitungssystem 4c umfasst neben einem DC/DC-Wandler 40‘ noch einen Traktionsakku 36 sowie eine Batterie 38 zur Speicherung elektrischer Energie und einen Inverter 40 zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zum Antrieb des Motors 42 bzw. des Getriebes 44. In dem gemäß Fig. 4 dargestellten Normalbetrieb strömt Luft durch die Kathode 8 und das Anodengasgemisch bzw. das Anodenkondensat kann durch die Purge-Leitung 4a‘ bzw. die Drain-Leitung 4a“ je nach Bedarf in den Abluftzugang 30 entweichen. A shut-off valve 16 and a pressure regulator 18 are also arranged between the hydrogen reservoir 14 and the jet pump 20. The drain line 4a ″ further comprises a water separator 24 and a water container 26, which are arranged in front of the drain valve. In addition to the anode line path 4a and the cathode line path 4b, the fuel cell system 2 in the present case also includes the electrical line path 4c and the cooling line path 4d, which connects the vehicle cooler 12 to the fuel cell stack cooler 10. The cathode conduction path 4b further comprises an air filter 34 arranged after the air inlet 34 'for cleaning the supplied air as well as a heat exchanger 32 arranged within the air supply path 4b'. In addition to a DC / DC converter 40 ', the electrical conduction system 4c also includes a traction battery 36 and a Battery 38 for storing electrical energy and an inverter 40 for converting a direct current into an alternating current to drive the motor 42 or the transmission 44. In the normal mode shown in FIG. 4, air flows through the cathode 8 and the anode gas mixture or the anode condensate can escape through the purge line 4a 'or the drain line 4a "into the exhaust air access 30 as required.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einer ersten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 5 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in a first phase of shutting down the fuel cell system 2 according to a first exemplary embodiment.
Hierbei wird zunächst die Kathode 8 durch das Öffnen des Bypassventils 48 innerhalb des Kathodenleitungspfades 4b gebypasst, und gleichzeitig der Abluftzugang 30 zumindest tlw. geöffnet, sodass Luft über den kathodenseitigen Leitungsteil 4b“ in Richtung Abluftzugang 30 strömen kann. Im Rahmen einer Ausführung des Abluftzugangs 30 in Form einer Auspuffdrossel kann dieser hierbei bspw. entdrosselt werden. Zur Verarmung der Luft in den Zellen wird vorliegend ferner Strom über den DC/DC-Wandler 40‘ gezogen und durch das Kurzschließen der Anode 6 und der Kathode 8 der Restsauerstoff vollständig aus dem Brennstoffzellensystem 2 abgebaut. First, the cathode 8 is bypassed by opening the bypass valve 48 within the cathode line path 4b, and at the same time the exhaust air access 30 is at least partially opened so that air can flow in the direction of the exhaust air access 30 via the cathode-side line part 4b ”. In the context of an embodiment of the exhaust air access 30 in the form of an exhaust throttle, this can be dethrottled, for example. In order to deplete the air in the cells, current is also drawn in the present case via the DC / DC converter 40 and the residual oxygen is completely removed from the fuel cell system 2 by short-circuiting the anode 6 and the cathode 8.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einer zweiten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In dieser zweiten Phase wird der Trocknungsvorgang der Anode 6 eingeleitet.6 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in a second phase of shutting down the fuel cell system 2 according to a first exemplary embodiment. In this second phase the drying process of the anode 6 is initiated.
Die Trocknung der Anode 6 erfolgt vorwiegend nicht wie üblich mit Wasserstoff, sondern mit Luft. Hierfür wird zunächst die Wasserstoffzufuhr aus dem Wasserstoffreservoir 14 abgestellt und der Abluftzugang 30 zumindest tlw. geschlossen, damit die Luft in den Anodenleitungspfad 4a strömen kann. Das erfolgt, indem das Purge- und das Drain-Ventil 46, 28 geöffnet werden. Das Druckgefälle der Luft sorgt bereits für eine Durchströmung des Anodenleitungspfades 4a, welche noch verstärkt werden kann durch den Betrieb des Rezirkulationsgebläses 22 innerhalb des Anodenleitungspfades 4a. The drying of the anode 6 is mainly not carried out with hydrogen, as is customary, but with air. For this purpose, the hydrogen supply from the hydrogen reservoir 14 is first switched off and the exhaust air inlet 30 is at least partially closed so that the air can flow into the anode conduction path 4a. This is done by opening the purge and drain valves 46, 28. The pressure gradient of the air already ensures a flow through the anode conduction path 4a, which can be further increased by operating the recirculation fan 22 within the anode conduction path 4a.
Nachdem die Anode 6 ausreichend getrocknet worden ist, wird das Rezirkulationsgebläse 22 innerhalb des Anodenleitungspfades 4a abgestellt und das Purge-Ventil 46 sowie das Drain-Ventil 28 geschlossen. After the anode 6 has been sufficiently dried, the recirculation fan 22 is switched off within the anode conduction path 4a and the purge valve 46 and the drain valve 28 are closed.
Fig. 7 zeigt schließlich eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einer dritten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Finally, FIG. 7 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in a third phase of shutting down the fuel cell system 2 according to a first exemplary embodiment.
Gemäß dieser dritten Phase wird der Trocknungsvorgang der Kathode 8 eingeleitet. Gemäß dem Trocknungsvorgang der Kathode 8 wird zunächst der Kathodenbypass 4b” durch das Schließen des Bypassventils 48 geschlossen, während der Abluftzugang 30 zumindest tlw. geöffnet wird. Hierdurch wird der Kathodenleitungspfad 4b sowie die Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2 mit trockener Luft durchströmt. Nachdem die Kathode 8 ausreichend getrocknet worden ist, kann der Luftverdichter bzw. das Rezirkulationsgebläse 22 abgestellt werden. Die Trocknungsvorgänge der Anode 6 sowie der Kathode 8 müssen hierbei nicht streng nacheinander erfolgen, sondern können auch zumindest teilweise parallel zueinander erfolgen. According to this third phase, the drying process of the cathode 8 is initiated. According to the drying process of the cathode 8, the cathode bypass 4b ”is initially closed by closing the bypass valve 48, while the exhaust air access 30 is at least partially opened. As a result, the cathode conduction path 4b and the cathode 8 of the fuel cell system 2 have dry air flowing through them. After the cathode 8 has been sufficiently dried, the air compressor or the recirculation fan 22 can be switched off. The drying processes of the anode 6 and the cathode 8 do not have to take place strictly one after the other, but can also take place at least partially parallel to one another.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. 8 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a second exemplary embodiment.
Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Zuleitung zum Purge-Ventil 46 zwischen der Strahlpumpe 20 und der Anode 6 platziert. Eine solche Anordnung bietet sich insbesondere für Systeme ohne Zirkulationsgebläse 22 an. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowie auch gemäß den Ausführungsbeispielen aus Fig. 9 und 10 ist die gemäß den Figuren 4 bis 7 dargestellte Zusammensetzung des Kathodenleitungspfades 4b aus einem Luftversorgungspfad 4b’ und einem kathodenseitigen Leitungsteil 4b“ ebenso wenig explizit dargestellt, wie die Zusammensetzung des Anodenleitungspfades 4a aus einer Purge-Leitung 4a‘ und einer Drain-Leitung 4a“. Es versteht sich jedoch, dass der Anodenleitungspfad 4a sowie der Kathodenleitungspfad 4b ebenso in den Beispielen gemäß der Figuren 8 und 9 aus den betreffenden Pfaden bzw. Leitungsteilen gebildet ist. According to this second exemplary embodiment, the feed line to the purge valve 46 is placed between the jet pump 20 and the anode 6. Such an arrangement is particularly suitable for systems without a circulation fan 22. According to the present exemplary embodiment and also according to the exemplary embodiments from FIGS. 9 and 10, the composition of the cathode line path 4b shown in FIGS. 4 to 7 from an air supply path 4b 'and a cathode-side line part 4b "is just as little explicitly shown as the composition of the anode line path 4a from a purge line 4a 'and a drain line 4a “. It goes without saying, however, that the anode line path 4a and the cathode line path 4b are also formed in the examples according to FIGS. 8 and 9 from the relevant paths or line parts.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel stellt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 2 ein System mit Turbine dar, was es erlaubt, aufgrund des Druckverlustes über die Turbine die Einlassstellen für die mit dem Purge-Ventil 46 verbundenen Teile des Anodenleitungspfades 4a bzw. für die mit dem Drain-Ventil 28 verbundenen Teile unterschiedliche Stellen bzw. Einlasspositionen an dem Kathodenleitungspfad 4b zu gewährleisten. 9 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a third exemplary embodiment. According to this third exemplary embodiment, the fuel cell system 2 according to the invention represents a system with a turbine, which allows the inlet points for the parts of the anode conduction path 4a connected to the purge valve 46 or for those with the drain valve 28 due to the pressure loss across the turbine connected parts to ensure different locations or inlet positions on the cathode conduction path 4b.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Systems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem vierten Ausführungsbeispiel ist die mit dem Drain-Ventil 28 verbundene Leitung des Anodenleitungspfades 4a nach einem endseitig angeordneten Absperrventil angeordnet und nicht wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zwischen diesem Ventil und dem Rezirkulationsgebläse 22 des Kathodenleitungspfades 4b. 10 shows a schematic illustration of a fuel cell system 2 according to the invention in normal operation according to a fourth exemplary embodiment. According to this fourth exemplary embodiment, the line of the anode line path 4a connected to the drain valve 28 is arranged after a shut-off valve arranged at the end and not, as in the third exemplary embodiment, between this valve and the recirculation fan 22 of the cathode line path 4b.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems 2 bzw. mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 ist es insbesondere möglich, durch die Kombination von zellenindividuellem Kurzschluss, einer spezifischen Ausführung des gegenständlichen Anodenleitungspfades 4a sowie einer dezidierten Betriebsstrategie, eine Leerlaufspannung an den Elektroden 6, 8 der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks effektiv zu eliminieren, sodass nicht nur die Lebensdauer betreffende Systeme erhöht wird, sondern auch die Kosten für derartige Systeme reduziert werden, indem bspw. Absperrventile entfallen und der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden kann. By means of the method according to the invention for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system 2 or by means of the fuel cell system 2 according to the invention, it is possible in particular to create an open-circuit voltage at the electrodes 6, 8 through the combination of a cell-specific short circuit, a specific design of the anode lead path 4a and a dedicated operating strategy to effectively eliminate the fuel cells of a fuel cell stack, so that not only the service life of the systems is increased, but also the Costs for such systems can be reduced, for example by eliminating shut-off valves and reducing hydrogen consumption.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems (2) zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte: 1. A method for optimizing a shutdown procedure of a fuel cell system (2) for use in a motor vehicle, comprising the steps:
- Freigeben (50) eines kathodenseitigen Leitungsteils (4b“) eines Kathodenleitungspfades (4b) zur zumindest teilweisen Überbrückung eines Luftversorgungspfades (4b‘) der Kathode (8) des Brennstoffzellensystems (2), - Releasing (50) a cathode-side line part (4b ") of a cathode line path (4b) for at least partial bridging of an air supply path (4b‘) of the cathode (8) of the fuel cell system (2),
- Erzeugen (52) eines Stromflusses zum Abbauen der Sauerstoff und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems (2), - Generating (52) a current flow to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system (2),
- Herstellen (54) eines Kurzschlusses zwischen Anode (6) und Kathode (8) des Brennstoffzellensystems (2) zum Abbauen der Sauerstoff und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems (2), - Establishing (54) a short circuit between the anode (6) and cathode (8) of the fuel cell system (2) to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system (2),
- Trocknen (56) der Anode (6) sowie des Anodenleitungspfades (4a) zur Entfernung von Wasser, - drying (56) the anode (6) and the anode conduction path (4a) to remove water,
- Trocknen (58) der Kathode (8) sowie des Kathodenleitungspfades (4b) zur Entfernung von Wasser, - drying (58) the cathode (8) and the cathode conduction path (4b) to remove water,
- Abschalten (60) des Brennstoffzellensystems (2). - Switching off (60) the fuel cell system (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Freigeben (50) des kathodenseitigen Leitungsteils (4b“) über das Öffnen eines Bypassventils (48) erfolgt, wobei vorzugsweise zusätzlich ein Abluftzugang (30) zur Abführung von Luft zumindest teilweise geöffnet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the release (50) of the cathode-side line part (4b ″) takes place via the opening of a bypass valve (48), preferably additionally an exhaust air inlet (30) for discharging air is at least partially opened.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems (2) Kurzschlussrelais und/oder niederohmige Widerstände und/oder sonstige zellenindividuelle Kurzschlussvorrichtungen zwischen die Anode (6) und Kathode (8) des Brennstoffzellensystems (2) geschaltet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to reduce the oxygen and / or hydrogen concentration within the fuel cell system (2) short-circuit relays and / or low-ohmic resistors and / or other cell-specific short-circuit devices between the anode (6) and cathode (8 ) of the fuel cell system (2) can be switched.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen (56) der Anode (6) sowie des Anodenleitungspfades (4a) mit Luft erfolgt, wobei die Luft zum Trocknen vorzugweise aus dem Kathodenleitungspfad (4b) in den Anodenleitungspfad (4a) und die Anode (6) strömt, wobei die Luft insbesondere durch ein Purge-Ventil (46) zum regelmäßigen Ausleiten eines Anodengasgemisches und/oder durch ein Drain-Ventil (28) zur Abführung eines Wasserüberschusses in den Anodenleitungspfad (4a) und die Anode (6) strömt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the drying (56) of the anode (6) and the anode line path (4a) takes place with air, the air for drying preferably from the cathode line path (4b) into the anode line path (4a) ) and the anode (6) flows, the air flowing in particular through a purge valve (46) for regularly discharging an anode gas mixture and / or through a drain valve (28) for discharging excess water into the anode conduction path (4a) and the anode (6) flows.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass beim Trocknen (56) der Anode (6) sowie des Anodenleitungspfades (4a) zur Verstärkung des Luftstroms zur Trocknung ein Rezirkulationsgebläse (22) verwendet wird, wobei das Rezirkulationsgebläse (22) vorzugsweise nur bei Bedarf zugeschaltet wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when drying (56) the anode (6) and the anode conduction path (4a) to amplify the air flow for drying, a recirculation fan (22) is used, the recirculation fan (22) preferably only is switched on if necessary.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen (58) der Kathode (8) sowie des Kathodenleitungspfades (4b) mit Luft erfolgt, wobei vor einem Trocknen (58) der Kathode (8) sowie des Kathodenleitungspfades (4b) das Bypassventil (48) geschlossen wird und der Abluftzugang (30) zur Abführung von Luft zumindest teilweise geöffnet wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the drying (58) of the cathode (8) and the cathode conduction path (4b) takes place with air, the cathode (8) and the cathode conduction path (4b) prior to drying (58) ) the bypass valve (48) is closed and the exhaust air inlet (30) is at least partially opened to remove air.
7. Brennstoffzellensystem (2) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: 7. Fuel cell system (2) for carrying out a method according to one of claims 1 to 6, comprising:
- eine Anode (6), - an anode (6),
- eine Kathode (8), - a cathode (8),
- einen Anodenleitungspfad (4a) zum Transport von Wasserstoff zwischen einem Wasserstoffreservoir (14) und einem Abluftzugang (30), - An anode conduction path (4a) for transporting hydrogen between a hydrogen reservoir (14) and an exhaust air access (30),
- einen Kathodenleitungspfad (4b) zum Transport von Luft zwischen einem Luftzugang (34‘) und dem Abluftzugang (30), - A cathode conduction path (4b) for transporting air between an air inlet (34 ‘) and the exhaust air inlet (30),
- wobei der Kathodenleitungspfad (4b) einen Luftversorgungspfad (4b‘) für die Kathode (8) sowie einen kathodenseitigen Leitungsteil (4b“) zur Überbrückung des Luftversorgungspfades (4b‘) aufweist, - the cathode conduction path (4b) having an air supply path (4b) for the cathode (8) and a cathode-side conduit part (4b ″) for bridging the air supply path (4b ‘),
- wobei der Anodenleitungspfad (4a) eine Purge-Leitung (4a‘) mit einem Purge-Ventil (46) zum regelmäßigen Ausleiten des Anodengasgemisches aus dem Anodenleitungspfad (4a) sowie eine Drain-Leitung (4a“) mit einem Drain-Ventil (28) zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode (6) und dem Anodenleitungspfad (4a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Purge-Leitung (4a‘) getrennt von der Drain-Leitung (4a“) angeordnet ist. - wherein the anode line path (4a) has a purge line (4a ') with a purge valve (46) for the regular discharge of the anode gas mixture from the anode line path (4a) and a drain line (4a ") with a drain valve (28 ) for removing excess water from the anode (6) and the anode line path (4a), characterized in that the purge line (4a ') is arranged separately from the drain line (4a ”).
8. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Purge-Leitung (4a‘) und die Drain-Leitung (4a“) unterschiedliche Zugänge zum Kathodenleitungspfad (4b) aufweisen. 8. Fuel cell system (2) according to claim 7, characterized in that the purge line (4a ‘) and the drain line (4a ″) have different accesses to the cathode conduction path (4b).
9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Purge-Leitung (4a“) zwischen der Anode (6) und einer Strahlpumpe (20) zur Einführung von Wasserstoff in die Anode (6) des Brennstoffzellesystems (2) angeordnet ist. 9. Fuel cell system (2) according to claim 7 or 8, characterized in that the purge line (4a ”) between the anode (6) and a jet pump (20) for introducing hydrogen into the anode (6) of the fuel cell system (2 ) is arranged.
10. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine vorgesehen ist, wobei die Purge-Leitung (4a‘) und die Drain-Leitung (4a“) an verschiedenen Positionen des10. Fuel cell system (2) according to one of claims 7 to 9, characterized in that a turbine is provided, wherein the purge line (4a ‘) and the drain line (4a”) at different positions of the
Kathodenleitungspfades (4b) angeordnet sind, wobei die Purge-Leitung (4a‘) und die Drain-Leitung (4a“) vorzugsweise derart mit dem Kathodenleitungspfad (4b) verbunden sind, dass bedingt durch die Anordnung der Purge-Leitung (4a‘) und der Drain-Leitung (4a“) ein Druckgefälle zwischen Lufteinlass in die Anode (6) und Luftauslass aus derCathode line path (4b) are arranged, the purge line (4a ') and the drain line (4a ”) are preferably connected to the cathode line path (4b) in such a way that, due to the arrangement of the purge line (4a') and the drain line (4a “) creates a pressure gradient between the air inlet in the anode (6) and the air outlet from the
Anode (6) vorliegt. Anode (6) is present.
11. Kraftfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10. 11. Motor vehicle, comprising a fuel cell system (2) according to one of claims 7 to 10.
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