WO2023222468A1 - Method for operating a fuel cell system, and control device - Google Patents

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WO2023222468A1
WO2023222468A1 PCT/EP2023/062370 EP2023062370W WO2023222468A1 WO 2023222468 A1 WO2023222468 A1 WO 2023222468A1 EP 2023062370 W EP2023062370 W EP 2023062370W WO 2023222468 A1 WO2023222468 A1 WO 2023222468A1
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fuel cell
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cathode
phase
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PCT/EP2023/062370
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Inventor
Benjamin Henke
Saskia Bostelmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system.
  • the preferred area of application is mobile fuel cell systems or fuel cell vehicles.
  • the invention relates to a control device for carrying out steps of the method according to the invention.
  • Hydrogen-based fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times.
  • an oxidizing agent is required, such as oxygen.
  • Air taken from the environment usually serves as the oxygen supplier. Hydrogen and oxygen are converted into electrical energy, heat and water in an electrochemical reaction in the fuel cells.
  • Fuel cells have an anode to be supplied with hydrogen and a cathode to be supplied with oxygen or air. A membrane is arranged between them.
  • the fuel cell stack is supplied with hydrogen via an anode subsystem or hydrogen system.
  • the supply of air via a cathode subsystem or air system.
  • the fuel cell system can include further subsystems, in particular a cooling system for dissipating the heat generated during operation.
  • the gas mixture present on the anode side is often drained out and fresh hydrogen is added in order to increase the hydrogen concentration on the anode side again. This process is also called “purging”. When purging, however, it must be ensured that the hydrogen concentration of the discharged gas mixture does not exceed a critical limit.
  • the gas mixture is therefore usually mixed or diluted with cathode exhaust air before being discharged.
  • a bypass path can be opened in the air system of the fuel cell system, via which air can be introduced past the fuel cell stack from a supply air path directly into an exhaust air path.
  • the bypass path is then closed again with the help of a bypass valve, so that the required air or oxygen is supplied to the fuel cell stack.
  • the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture that predominates on the cathode side at the start time is discharged, so that a short-term but significant increase in the hydrogen concentration in the cathode exhaust air can occur. This must be avoided for reasons of operational safety.
  • the present invention is concerned with this task. To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims. Furthermore, a control device for carrying out process steps is specified. Disclosure of the invention
  • a method for operating a fuel cell system comprises at least one fuel cell with an anode and a cathode and an intermediate membrane.
  • air is supplied to the cathode via a supply air path and exhaust air emerging from the cathode is removed via an exhaust air path.
  • a first valve arranged in the supply air path and a second valve arranged in the exhaust air path are closed.
  • the fuel cell system when starting, the fuel cell system is started in several phases, with the two valves being kept closed in a first phase and a bypass valve arranged in a bypass path surrounding the fuel cell being opened, so that air from the supply air path is introduced into the exhaust air path via the bypass path, in a second phase, the two valves are at least partially opened and the bypass valve is further kept at least partially open, so that air flows through the cathode and the bypass path at the same time, and in a third phase, the bypass valve is closed.
  • a hydrogen and nitrogen-containing gas mixture can also predominate in the cathode when starting, in the second phase of the starting process the two valves are opened so far and the bypass valve is kept open at least so far that a first partial stream of air flowing through the cathode can contain the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture is discharged and a second partial flow introduced into the exhaust air path via the bypass path dilutes the gas mixture.
  • the bypass valve In the third phase - after dilution has taken place - the bypass valve can be closed completely.
  • the dilution of the hydrogen and nitrogen-containing gas mixtures that predominate on both the anode and cathode sides during starting reduces the maximum hydrogen concentration that occurs in the exhaust air. A potentially critical increase in concentration can be avoided in this way. As a result, the operational reliability of the fuel cell system can be increased.
  • the bypass valve is preferably closed, but at the same time the two valves through which the cathode is supplied with air are completely opened, if this has not already happened. Because - depending on the design of the two valves - in the second phase they can not only assume a constant valve position, but also a continuously changing valve position. In this way, with the help of the two valves, the air flow in the direction of the cathode can not only be interrupted, but also regulated at the same time.
  • the two valves are continuously opened and/or the bypass valve is continuously closed.
  • the second phase then serves as a transition phase that leads from the first phase into the third phase.
  • the second phase preferably lasts between 200 and 5000 ms.
  • the two valves and the bypass valve are advantageously controlled electrically.
  • the electrical control makes it easier to move the valves into the required valve position.
  • the control is preferably carried out with the help of a control unit of the fuel cell system. With the help of the control unit, the opening angles of the valves can then be precisely coordinated with one another in the second phase of the starting process.
  • the air in the supply air path is conveyed and compressed with the aid of an air delivery and air compression unit integrated into the supply air path.
  • the air delivery and air compression unit can be driven electrically and/or by means of a turbine. Both an electric drive and a turbine are preferably provided. Over The electric drive can be used to specifically control the air delivery and air compression unit. With the help of the turbine, part of the energy used for conveying and compressing can be recovered if the exhaust air emerging from the fuel cell is fed to the turbine.
  • the delivery rate of the air delivery and air compression unit is increased in the second phase when starting. This measure ensures that the cathode is supplied with sufficient air, since the total air mass flow is increased with the delivery rate. The partial mass flow branched off via the bypass path is thereby compensated.
  • the air in the supply air path is conditioned using a cooling device and/or a humidifying device. Since the air heats up significantly when it is compressed, the air can be cooled using a cooling device. Humidifying the air can prevent the fuel cell membrane from drying out. As a result, the efficiency and/or the service life of the fuel cell can be increased by targeted conditioning of the air before it enters the fuel cell.
  • control device for a fuel cell system is proposed.
  • the control device is set up to carry out steps of a method according to the invention.
  • the two valves through which air is supplied to the cathode and the bypass valve can be controlled with the help of the control unit.
  • the air delivery and air compression unit integrated into the supply air path can be controlled with the help of the control unit.
  • 1 is a schematic representation of a fuel cell with an air system for air supply
  • 2 shows a schematic representation of the valve positions over the three phases when starting according to a first preferred embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of the valve positions over the three phases when starting according to a second preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 1 shows an example of a section of a fuel cell system, which includes a fuel cell 1 with an anode 2 and a cathode 3.
  • a membrane 4 is arranged between the anode 2 and the cathode 3.
  • a large number of such fuel cells 1 are combined into a fuel cell stack in order to increase the electrical power.
  • only a single fuel cell 1 is shown in FIG.
  • the cathode 3 is supplied with air via a supply air path 5, which has previously been compressed with the aid of an air delivery and air compression unit 11 integrated into the supply air path 5.
  • the exhaust air emerging from the fuel cell 1 is removed via an exhaust air path 6.
  • the air flow to the cathode 3 can be interrupted or regulated via a first valve 7 on the supply air side and a second valve 8 on the exhaust air side.
  • a bypass path 9 is provided to bypass the fuel cell 1.
  • the air flow via the bypass path 9 can be interrupted or regulated using a bypass valve 10.
  • the valves 7, 8, the bypass valve 10 and the air delivery and air compression unit 11 are each electrically controlled.
  • valves 7, 8 are open and the bypass valve 10 is closed, so that the entire air mass flow is supplied to the cathode 3 of the fuel cell 1.
  • the air is required for the electrochemical reaction in the fuel cell 1.
  • the hydrogen also required is supplied to the anode 2 of the fuel cell 1 via an anode circuit (not shown).
  • the fuel cell system is switched off, the system is brought into a state in which there is a high hydrogen concentration on the anode side and a high nitrogen concentration on the cathode side, preferably approximately 100% in each case. This means that the oxygen concentration on the cathode side is approximately 0%. Closing the two valves 7, 8 prevents air and thus oxygen from flowing in during the shutdown time.
  • the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture that predominates on the anode side is discharged by means of purging and introduced into the exhaust air path 6 for dilution with exhaust air.
  • the air system is operated in bypass mode in order to introduce the air required for dilution from the supply air path 5 via the bypass path 9 into the exhaust air path 6.
  • the valves 7, 8 remain closed during this first phase of the starting process.
  • the valves 7, 8 are then at least partially opened, while the bypass valve 10 remains at least partially open.
  • a first partial flow of air is then fed to the cathode 3 to discharge the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture present there, a second partial flow is introduced into the exhaust air path 6 via the bypass path 9, so that the gas mixture discharged from the cathode 3 is diluted with this air can.
  • the bypass valve 10 can then be closed so that normal operation can be resumed.
  • the valves 7, 8 are completely or partially open.
  • the valves 7, 8 and the bypass valve 10 can constantly assume or change their respective valve positions during the individual phases when starting the fuel cell system.
  • the first case is shown as an example in FIG.
  • the valves 7, 8 and the bypass valve 10 each assume a constant valve position throughout the individual phases I, II and III.
  • phase I the valves 7, 8 are completely closed and the bypass valve 10 is completely opened.
  • phase III the situation is exactly the opposite.
  • the valves 7, 8 and the bypass valve 10 each assume an intermediate position in which they are partially open.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system, comprising at least one fuel cell (1) with an anode (2) and a cathode (3) and an intermediate membrane (4), wherein, during normal operation of the fuel cell system, the cathode (3) is supplied with air via an air supply path (5) and exhaust air exiting the cathode (3) is discharged via an air discharge path (6), and wherein, during shut-down, a first valve (7) arranged in the air supply path (5) and a second valve (8) arranged in the air discharge path (6) are closed. According to the invention, during start-up, the fuel cell system is started in multiple phases (I, II, III), wherein, in a first phase (I), the two valves (7, 8) are kept closed and a bypass valve (10) arranged in a bypass path (9) bypassing the fuel cell (1) is opened, such that air from the air supply path (5) is introduced into the air discharge path (6) via the bypass path (9), in a second phase (II), the two valves (7, 8) are at least partially opened and the bypass valve (10) is also kept at least partially open, such that air can simultaneously flow through the cathode (3) and the bypass path (9), and in a third phase (III), the bypass valve (10) is closed. The invention also relates to a control device for carrying out steps of the method.

Description

Beschreibung Description
Titel: Title:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät Method for operating a fuel cell system, control device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Brennstoffzellensysteme bzw. Brennstoffzellenfahrzeuge. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. The invention relates to a method for operating a fuel cell system. The preferred area of application is mobile fuel cell systems or fuel cell vehicles. In addition, the invention relates to a control device for carrying out steps of the method according to the invention.
Stand der Technik State of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Neben Wasserstoff wird ein Oxidationsmittel benötigt, beispielsweise Sauerstoff. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird. Wasserstoff und Sauerstoff werden in den Brennstoffzellen in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt. Hydrogen-based fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. In addition to hydrogen, an oxidizing agent is required, such as oxygen. Air taken from the environment usually serves as the oxygen supplier. Hydrogen and oxygen are converted into electrical energy, heat and water in an electrochemical reaction in the fuel cells.
Brennstoffzellen weisen eine mit Wasserstoff zu versorgende Anode und eine mit Sauerstoff bzw. mit Luft zu versorgende Kathode auf. Dazwischen ist eine Membran angeordnet. In der Praxis werden zur Steigerung der elektrischen Leistung eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, verbunden. Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff erfolgt über ein Anoden-Subsystem bzw. Wasserstoffsystem. Die Versorgung mit Luft über ein Kathoden-Subsystem bzw. Luftsystem. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem weitere Subsysteme umfassen, insbesondere ein Kühlsystem zum Abführen der im Betrieb erzeugten Wärme. Fuel cells have an anode to be supplied with hydrogen and a cathode to be supplied with oxygen or air. A membrane is arranged between them. In practice, to increase electrical power, a large number of fuel cells are connected to form a fuel cell stack, the so-called stack. The fuel cell stack is supplied with hydrogen via an anode subsystem or hydrogen system. The supply of air via a cathode subsystem or air system. In addition, the fuel cell system can include further subsystems, in particular a cooling system for dissipating the heat generated during operation.
Um beim Starten eines Brennstoffzellensystems eine Beschädigung der Brennstoffzellen zu vermeiden, wird dieses in der Regel in einem Zustand abgestellt, bei dem in der Anode eine Wasserstoffkonzentration von annähernd 100 % und in der Kathode eine Sauerstoffkonzentration von annähernd 0 % bei einer gleichzeitig hohen Stickstoffkonzentration herrschen. Um diesen Zustand zu erhalten, sind kathodenseitig häufig Ventile vorgesehen, die ein Nachströmen von Luft bzw. Sauerstoff nach dem Abstellen verhindern sollen. Durch Gasdiffusion über die Membran kommt es dennoch zu einem Übertritt von Wasserstoff auf die Ka- thodenseite und von Stickstoff auf die Anodenseite, so dass bei einem erneuten Starten des Brennstoffzellensystems sowohl anoden- als auch kathodenseitig jeweils ein Wasserstoff- und stickstoffhaltiges Gasgemisch vorherrschen. In order to avoid damage to the fuel cells when starting a fuel cell system, it is usually switched off in a state in which there is a hydrogen concentration of approximately 100% in the anode and an oxygen concentration of approximately 0% in the cathode with a simultaneously high nitrogen concentration. In order to maintain this condition, valves are often provided on the cathode side to prevent air or oxygen from flowing in after the cathode has been switched off. However, due to gas diffusion across the membrane, hydrogen transfers to the cathode side and nitrogen to the anode side, so that when the fuel cell system is restarted, a hydrogen and nitrogen-containing gas mixture predominates on both the anode and cathode sides.
Vor dem eigentlichen Starten des Brennstoffzellensystems wird daher häufig zunächst das anodenseitig vorhandene Gasgemisch ausgeleitet und frischer Wasserstoff nachdosiert, um die Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite wieder zu erhöhen. Dieser Vorgang wird auch „Purgen“ genannt. Beim Purgen muss jedoch sichergestellt sein, dass die Wasserstoffkonzentration des ausgeleiteten Gasgemischs eine kritische Grenze nicht überschreitet. Das Gasgemisch wird daher üblicherweise vor dem Ausleiten mit Kathodenabluft vermischt bzw. verdünnt. Before the fuel cell system is actually started, the gas mixture present on the anode side is often drained out and fresh hydrogen is added in order to increase the hydrogen concentration on the anode side again. This process is also called “purging”. When purging, however, it must be ensured that the hydrogen concentration of the discharged gas mixture does not exceed a critical limit. The gas mixture is therefore usually mixed or diluted with cathode exhaust air before being discharged.
Zur Bereitstellung der zum Verdünnen erforderlichen Luftmenge kann im Luftsystem des Brennstoffzellensystems ein Bypasspfad geöffnet werden, über den Luft am Brennstoffzellenstapel vorbei aus einem Zuluftpfad direkt in einen Abluftpfad eingeleitet werden kann. Beim eigentlichen Starten wird dann der Bypasspfad mit Hilfe eines Bypassventils wieder geschlossen, so dass dem Brennstoffzellenstapel die benötigte Luft bzw. der benötigte Sauerstoff zugeführt wird. Das zum Startzeitpunkt kathodenseitig vorherrschende Wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemisch wird dabei ausgetragen, so dass es zu einer kurzzeitigen, aber erheblichen Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in der Kathodenabluft kommen kann. Dies gilt es aus Gründen der Betriebssicherheit zu vermeiden. To provide the amount of air required for dilution, a bypass path can be opened in the air system of the fuel cell system, via which air can be introduced past the fuel cell stack from a supply air path directly into an exhaust air path. When actually starting, the bypass path is then closed again with the help of a bypass valve, so that the required air or oxygen is supplied to the fuel cell stack. The hydrogen and nitrogen-containing gas mixture that predominates on the cathode side at the start time is discharged, so that a short-term but significant increase in the hydrogen concentration in the cathode exhaust air can occur. This must be avoided for reasons of operational safety.
Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung von Verfahrensschritten angegeben. Offenbarung der Erfindung The present invention is concerned with this task. To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims. Furthermore, a control device for carrying out process steps is specified. Disclosure of the invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode und einer zwischenliegenden Membran umfasst. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems wird der Kathode über einen Zuluftpfad Luft zugeführt und aus der Kathode austretende Abluft wird über einen Abluftpfad abgeführt. Im Abstellfall werden ein im Zuluftpfad angeordnetes erstes Ventil und ein im Abluftpfad angeordnetes zweites Ventil geschlossen. Erfindungsgemäß wird im Startfall das Brennstoffzellensystem in mehreren Phasen gestartet, wobei in einer ersten Phase die beiden Ventile geschlossen gehalten werden und ein in einem die Brennstoffzelle umgehenden Bypasspfad angeordnetes Bypassventil geöffnet wird, so dass Luft aus dem Zuluftpfad über den Bypasspfad in den Abluftpfad eingeleitet wird, in einer zweiten Phase die beiden Ventile zumindest teilweise geöffnet werden und das Bypassventil weiterhin zumindest teilweise offen gehalten wird, so dass die Kathode und der Bypasspfad gleichzeitig von Luft durchströmt werden, und in einer dritten Phase das Bypassventil geschlossen wird. A method for operating a fuel cell system is proposed, which comprises at least one fuel cell with an anode and a cathode and an intermediate membrane. During normal operation of the fuel cell system, air is supplied to the cathode via a supply air path and exhaust air emerging from the cathode is removed via an exhaust air path. In the event of a shutdown, a first valve arranged in the supply air path and a second valve arranged in the exhaust air path are closed. According to the invention, when starting, the fuel cell system is started in several phases, with the two valves being kept closed in a first phase and a bypass valve arranged in a bypass path surrounding the fuel cell being opened, so that air from the supply air path is introduced into the exhaust air path via the bypass path, in a second phase, the two valves are at least partially opened and the bypass valve is further kept at least partially open, so that air flows through the cathode and the bypass path at the same time, and in a third phase, the bypass valve is closed.
Bei geöffnetem Bypassventil gelangt Luft aus dem Zuluftpfad über den Bypasspfad in den Abluftpfad. Diese Luft kann in der der ersten Phase des Startvorgangs zum Verdünnen eines Wasserstoff- und stickstoffhaltigen Gasgemischs verwendet werden, das - vorzugsweise zeitgleich - mittels Purgen aus der Anode abgeführt wird. Auf diese Weise wird eine zu hohe Wasserstoffkonzentration des mittels Purgen aus der Anode abgeführten Gasgemischs verhindert. Da im Startfall in der Kathode ebenfalls ein Wasserstoff- und stickstoffhaltiges Gasgemisch vorherrschen kann, werden in der zweiten Phase des Startvorgangs die beiden Ventile so weit geöffnet und das Bypassventil zumindest so weit offen gehalten, dass ein die Kathode durchströmender erster Teilstrom der Luft das Wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemisch austrägt und ein über den Bypasspfad in den Abluftpfad eingeleiteter zweiter Teilstrom das Gasgemisch verdünnt. In der dritten Phase kann dann - nach erfolgter Verdünnung - dass Bypassventil vollständig geschlossen werden. Die in der ersten und zweiten Phase beim Starten erzielte Verdünnung der sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig vorherrschenden Wasserstoff- und stickstoffhaltigen Gasgemische reduziert die maximal auftretende Wasserstoffkonzentration in der Abluft. Eine unter Umständen kritische Konzentrationserhöhung kann auf diese Weise vermieden werden. Im Ergebnis kann somit die Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht werden. When the bypass valve is open, air from the supply air path flows into the exhaust air path via the bypass path. This air can be used in the first phase of the starting process to dilute a gas mixture containing hydrogen and nitrogen, which is removed from the anode - preferably at the same time - by means of purging. In this way, an excessive hydrogen concentration in the gas mixture removed from the anode by means of purging is prevented. Since a hydrogen and nitrogen-containing gas mixture can also predominate in the cathode when starting, in the second phase of the starting process the two valves are opened so far and the bypass valve is kept open at least so far that a first partial stream of air flowing through the cathode can contain the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture is discharged and a second partial flow introduced into the exhaust air path via the bypass path dilutes the gas mixture. In the third phase - after dilution has taken place - the bypass valve can be closed completely. The dilution of the hydrogen and nitrogen-containing gas mixtures that predominate on both the anode and cathode sides during starting reduces the maximum hydrogen concentration that occurs in the exhaust air. A potentially critical increase in concentration can be avoided in this way. As a result, the operational reliability of the fuel cell system can be increased.
In der dritten Phase des Startvorgangs wird vorzugsweise nicht nur das Bypassventil geschlossen, sondern zeitgleich die beiden Ventile, über welche die Kathode mit Luft versorgt wird, vollständig geöffnet, sofern dies nicht bereits geschehen ist. Denn - je nach Auslegung der beiden Ventile - können diese in der zweiten Phase nicht nur eine konstante Ventilstellung, sondern auch eine sich kontinuierlich verändernde Ventilstellung einnehmen. Auf diese Weise kann mit Hilfe der beiden Ventile der Luftstrom in Richtung der Kathode nicht nur unterbrochen, sondern zugleich geregelt werden. In the third phase of the starting process, not only the bypass valve is preferably closed, but at the same time the two valves through which the cathode is supplied with air are completely opened, if this has not already happened. Because - depending on the design of the two valves - in the second phase they can not only assume a constant valve position, but also a continuously changing valve position. In this way, with the help of the two valves, the air flow in the direction of the cathode can not only be interrupted, but also regulated at the same time.
In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass in der zweiten Phase des Startvorgangs die beiden Ventile kontinuierlich geöffnet werden und/oder das Bypassventil kontinuierlich geschlossen wird. Die zweite Phase dient dann als Übergangsphase, die von der ersten Phase in die dritte Phase überleitet. Vorzugsweise dauert die zweite Phase zwischen 200 und 5000 ms. In a further development of the invention, it is therefore proposed that in the second phase of the starting process the two valves are continuously opened and/or the bypass valve is continuously closed. The second phase then serves as a transition phase that leads from the first phase into the third phase. The second phase preferably lasts between 200 and 5000 ms.
Vorteilhafterweise werden die beiden Ventile und das Bypassventil elektrisch angesteuert. Die elektrische Ansteuerung erleichtert das Überführen der Ventile in die jeweils geforderte Ventilstellung. Die Ansteuerung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts des Brennstoffzellensystems. Mit Hilfe des Steuergeräts können dann die Öffn ungsqu erseh nitte der Ventile in der zweiten Phase des Startvorgangs genau aufeinander abgestimmt werden. The two valves and the bypass valve are advantageously controlled electrically. The electrical control makes it easier to move the valves into the required valve position. The control is preferably carried out with the help of a control unit of the fuel cell system. With the help of the control unit, the opening angles of the valves can then be precisely coordinated with one another in the second phase of the starting process.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Luft im Zuluftpfad mit Hilfe einer in den Zuluftpfad integrierten Luftförder- und Luftverdichtungseinheit gefördert und verdichtet wird. Mit Hilfe der Luftförder- und Luftverdichtungseinheit kann betriebspunktabhängig der jeweils geforderte Luftmassenstrom und/oder das jeweils geforderte Druckniveau eingestellt werden. Die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit kann elektrisch und/oder mittels einer Turbine angetrieben werden. Vorzugsweise sind sowohl ein elektrischer Antrieb als auch eine Turbine vorgesehen. Über den elektrischen Antrieb kann die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit gezielt angesteuert werden. Mit Hilfe der Turbine kann ein Teil der zum Fördern und Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden, wenn der Turbine die aus der Brennstoffzelle austretende Abluft zugeführt wird. Furthermore, it is proposed that the air in the supply air path is conveyed and compressed with the aid of an air delivery and air compression unit integrated into the supply air path. With the help of the air delivery and air compression unit, the required air mass flow and/or the required pressure level can be set depending on the operating point. The air delivery and air compression unit can be driven electrically and/or by means of a turbine. Both an electric drive and a turbine are preferably provided. Over The electric drive can be used to specifically control the air delivery and air compression unit. With the help of the turbine, part of the energy used for conveying and compressing can be recovered if the exhaust air emerging from the fuel cell is fed to the turbine.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Startfall in der zweiten Phase die Fördermenge der Luftförder- und Luftverdichtungseinheit erhöht. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Kathode mit ausreichend Luft versorgt wird, da mit der Fördermenge der Gesamtluftmassenstrom angehoben wird. Der über den Bypasspfad abgezweigte Teilmassenstrom wird dadurch kompensiert. According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the delivery rate of the air delivery and air compression unit is increased in the second phase when starting. This measure ensures that the cathode is supplied with sufficient air, since the total air mass flow is increased with the delivery rate. The partial mass flow branched off via the bypass path is thereby compensated.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Luft im Zuluftpfad mit Hilfe einer Kühleinrichtung und/oder einer Befeuchtungseinrichtung konditioniert wird. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, kann mit Hilfe einer Kühleinrichtung die Luft gekühlt werden. Durch eine Befeuchtung der Luft kann ein Austrocknen der Membran der Brennstoffzelle verhindert werden. In der Folge kann durch eine gezielte Konditionierung der Luft vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle die Effizienz und/oder die Lebensdauer der Brennstoffzelle gesteigert werden. Furthermore, it is proposed that the air in the supply air path is conditioned using a cooling device and/or a humidifying device. Since the air heats up significantly when it is compressed, the air can be cooled using a cooling device. Humidifying the air can prevent the fuel cell membrane from drying out. As a result, the efficiency and/or the service life of the fuel cell can be increased by targeted conditioning of the air before it enters the fuel cell.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Beispielsweise können mit Hilfe des Steuergeräts die beiden Ventile, über die der Kathode Luft zugeführt werden, und das Bypassventil angesteuert werden. Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe des Steuergeräts die in den Zuluftpfad integrierte Luftförder- und Luftverdichtungseinheit gesteuert werden. In addition, a control device for a fuel cell system is proposed. The control device is set up to carry out steps of a method according to the invention. For example, the two valves through which air is supplied to the cathode and the bypass valve can be controlled with the help of the control unit. Alternatively or additionally, the air delivery and air compression unit integrated into the supply air path can be controlled with the help of the control unit.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem Luftsystem zur Luftversorgung, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ventilstellungen über die drei Phasen beim Starten gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und 1 is a schematic representation of a fuel cell with an air system for air supply, 2 shows a schematic representation of the valve positions over the three phases when starting according to a first preferred embodiment of the method according to the invention and
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ventilstellungen über die drei Phasen beim Starten gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3 is a schematic representation of the valve positions over the three phases when starting according to a second preferred embodiment of the method according to the invention.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Figur 1 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle 1 mit einer Anode 2 und einer Kathode 3 umfasst. Zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ist eine Membran 4 angeordnet. In der Regel wird eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen 1 zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, um die elektrische Leistung zu steigern. Der Einfachheit halber ist in der Figur 1 nur eine einzige Brennstoffzelle 1 dargestellt. Figure 1 shows an example of a section of a fuel cell system, which includes a fuel cell 1 with an anode 2 and a cathode 3. A membrane 4 is arranged between the anode 2 and the cathode 3. As a rule, a large number of such fuel cells 1 are combined into a fuel cell stack in order to increase the electrical power. For the sake of simplicity, only a single fuel cell 1 is shown in FIG.
Die Kathode 3 wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems über einen Zuluftpfad 5 mit Luft versorgt, die zuvor mit Hilfe einer in den Zuluftpfad 5 integrierten Luftförder- und Luftverdichtungseinheit 11 verdichtet worden ist. Die aus der Brennstoffzelle 1 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 6 abgeführt. Der Luftstrom zur Kathode 3 kann über ein erstes Ventil 7 auf der Zuluftseite und ein zweites Ventil 8 auf der Abluftseite unterbrochen oder reguliert werden. Zusätzlich ist ein Bypasspfad 9 zur Umgehung der Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Der Luftstrom über den Bypasspfad 9 kann mit Hilfe eines Bypassventils 10 unterbrochen oder reguliert werden. Die Ventile 7, 8, das Bypassventil 10 sowie die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit 11 werden jeweils elektrisch angesteuert. During operation of the fuel cell system, the cathode 3 is supplied with air via a supply air path 5, which has previously been compressed with the aid of an air delivery and air compression unit 11 integrated into the supply air path 5. The exhaust air emerging from the fuel cell 1 is removed via an exhaust air path 6. The air flow to the cathode 3 can be interrupted or regulated via a first valve 7 on the supply air side and a second valve 8 on the exhaust air side. In addition, a bypass path 9 is provided to bypass the fuel cell 1. The air flow via the bypass path 9 can be interrupted or regulated using a bypass valve 10. The valves 7, 8, the bypass valve 10 and the air delivery and air compression unit 11 are each electrically controlled.
Im Normalbetrieb des in der Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystems sind die Ventile 7, 8 geöffnet und das Bypassventil 10 ist geschlossen, so dass der gesamte Luftmassenstrom der Kathode 3 der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird. Die Luft wird für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 1 benötigt. Der ferner benötigte Wasserstoff wird der Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) zugeführt. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems wird das System in einen Zustand gebracht, in dem anodenseitig eine hohe Wasserstoffkonzentration und katho- denseitig eine hohe Stickstoffkonzentration vorliegen, vorzugsweise jeweils annähernd 100 %. Das heißt, dass kathodenseitig die Sauerstoffkonzentration annähernd bei 0 % liegt. Durch Schließen der beiden Ventile 7, 8 wird verhindert, dass während der Abstellzeit Luft und damit Sauerstoff nachströmt. During normal operation of the fuel cell system shown in FIG. 1, the valves 7, 8 are open and the bypass valve 10 is closed, so that the entire air mass flow is supplied to the cathode 3 of the fuel cell 1. The air is required for the electrochemical reaction in the fuel cell 1. The hydrogen also required is supplied to the anode 2 of the fuel cell 1 via an anode circuit (not shown). When the fuel cell system is switched off, the system is brought into a state in which there is a high hydrogen concentration on the anode side and a high nitrogen concentration on the cathode side, preferably approximately 100% in each case. This means that the oxygen concentration on the cathode side is approximately 0%. Closing the two valves 7, 8 prevents air and thus oxygen from flowing in during the shutdown time.
Durch Diffusion der Gase über die Membran 4 kommt es jedoch während der Abstellzeit zu einem Übertritt von Wasserstoff von der Anodenseite auf die Ka- thodenseite und zu einem Übertritt von Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite. Sowohl anoden- als auch kathodenseitig herrschen damit Wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemische vor. However, due to the diffusion of the gases across the membrane 4, hydrogen transfers from the anode side to the cathode side and nitrogen transfers from the cathode side to the anode side during the shutdown time. Hydrogen and nitrogen-containing gas mixtures predominate on both the anode and cathode sides.
Beim erneuten Starten des Brennstoffzellensystems wird das anodenseitig vorherrschende Wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemisch mittels Purgen ausgetragen und zum Verdünnen mit Abluft in den Abluftpfad 6 eingeleitet. Währenddessen wird das Luftsystem im Bypassbetrieb betrieben, um die zum Verdünnen erforderliche Luft aus dem Zuluftpfad 5 über den Bypasspfad 9 in den Abluftpfad 6 einzuleiten. Die Ventile 7, 8 bleiben während dieser ersten Phase des Startvorgangs geschlossen. In einer zweiten Phase des Startvorgangs werden dann die Ventile 7, 8 zumindest teilweise geöffnet, während das Bypassventil 10 zumindest teilweise geöffnet bleibt. Ein erster Teilstrom der Luft wird dann der Kathode 3 zum Austragen des dort vorhandenen Wasserstoff- und stickstoffhaltigen Gasgemischs zugeführt, ein zweiter Teilstrom wird über den Bypasspfad 9 in den Abluftpfad 6 eingeleitet, so dass mit dieser Luft das aus der Kathode 3 ausgetragene Gasgemisch verdünnt werden kann. Zu keinem Zeitpunkt des Startvorgangs wird demnach eine maximal zulässige Wasserstoffkonzentration im Abluftpfad 6 überschritten. In einer sich hieran anschließenden dritten Phase des Startvorgangs kann dann das Bypassventil 10 geschlossen werden, so dass in den Normalbetrieb übergegangen werden kann. Je nach Luft- bzw. Sauerstoffbedarf der Kathode 3 sind die Ventile 7, 8 vollständig oder teilweise geöffnet. When the fuel cell system is restarted, the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture that predominates on the anode side is discharged by means of purging and introduced into the exhaust air path 6 for dilution with exhaust air. Meanwhile, the air system is operated in bypass mode in order to introduce the air required for dilution from the supply air path 5 via the bypass path 9 into the exhaust air path 6. The valves 7, 8 remain closed during this first phase of the starting process. In a second phase of the starting process, the valves 7, 8 are then at least partially opened, while the bypass valve 10 remains at least partially open. A first partial flow of air is then fed to the cathode 3 to discharge the hydrogen and nitrogen-containing gas mixture present there, a second partial flow is introduced into the exhaust air path 6 via the bypass path 9, so that the gas mixture discharged from the cathode 3 is diluted with this air can. At no time during the starting process is a maximum permissible hydrogen concentration in the exhaust air path 6 exceeded. In a subsequent third phase of the starting process, the bypass valve 10 can then be closed so that normal operation can be resumed. Depending on the air or oxygen requirement of the cathode 3, the valves 7, 8 are completely or partially open.
Die Ventile 7, 8 und das Bypassventil 10 können ihre jeweilige Ventilstellung während der einzelnen Phasen beim Starten des Brennstoffzellensystems konstant einnehmen oder verändern. In der Figur 2 ist beispielhaft der erste Fall dargestellt. Über die einzelnen Phasen I, II und III nehmen die Ventile 7, 8 und das Bypassventil 10 jeweils eine konstante Ventilstellung ein. In der Phase I sind die Ventile 7, 8 vollständig geschlossen und das Bypassventil 10 vollständig geöffnet. In der Phase III verhält es sich genau umgekehrt. In der dazwischenliegenden Phase II nehmen die Ventile 7, 8 und das Bypassventil 10 jeweils eine Zwischenstellung ein, in welcher sie teilweise geöffnet sind. The valves 7, 8 and the bypass valve 10 can constantly assume or change their respective valve positions during the individual phases when starting the fuel cell system. The first case is shown as an example in FIG. The valves 7, 8 and the bypass valve 10 each assume a constant valve position throughout the individual phases I, II and III. In phase I, the valves 7, 8 are completely closed and the bypass valve 10 is completely opened. In phase III the situation is exactly the opposite. In the intermediate phase II, the valves 7, 8 and the bypass valve 10 each assume an intermediate position in which they are partially open.
In der Figur 3 ist beispielhaft der andere Fall dargestellt. Im Unterschied zur Figur 2 werden die Ventile 7, 8 während der zweiten Phase II kontinuierlich geöffnet und das Bypassventil 10 wird kontinuierlich geschlossen. Der Übergang von der Phase I in die Phase III erfolgt somit fließend. The other case is shown as an example in FIG. In contrast to Figure 2, the valves 7, 8 are continuously opened during the second phase II and the bypass valve 10 is continuously closed. The transition from Phase I to Phase III is therefore smooth.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (1) mit einer Anode (2) und einer Kathode (3) und einer zwischenliegenden Membran (4), wobei im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems der Kathode (3) über einen Zuluftpfad (5) Luft zugeführt wird und aus der Kathode (3) austretende Abluft über einen Abluftpfad (6) abgeführt wird und wobei im Abstellfall ein im Zuluftpfad (5) angeordnetes erstes Ventil (7) und ein im Abluftpfad (6) angeordnetes zweites Ventil (8) geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Startfall das Brennstoffzellensystem in mehreren Phasen (I, II, III) gestartet wird, wobei in einer ersten Phase (I) die beiden Ventile (7, 8) geschlossen gehalten werden und ein in einem die Brennstoffzelle (1) umgehenden Bypasspfad (9) angeordnetes Bypassventil (10) geöffnet wird, so dass Luft aus dem Zuluftpfad (5) über den Bypasspfad (9) in den Abluftpfad (6) eingeleitet wird, in einer zweiten Phase (II) die beiden Ventile (7, 8) zumindest teilweise geöffnet werden und das Bypassventil (10) weiterhin zumindest teilweise offen gehalten wird, so dass die Kathode (3) und der Bypasspfad (9) gleichzeitig von Luft durchströmt werden, und in einer dritten Phase (III) das Bypassventil (10) geschlossen wird. 1. A method for operating a fuel cell system, comprising at least one fuel cell (1) with an anode (2) and a cathode (3) and an intermediate membrane (4), wherein in normal operation of the fuel cell system the cathode (3) via a supply air path (5 ) Air is supplied and exhaust air emerging from the cathode (3) is removed via an exhaust air path (6) and in the event of shutdown, a first valve (7) arranged in the supply air path (5) and a second valve (8) arranged in the exhaust air path (6). are closed, characterized in that when starting, the fuel cell system is started in several phases (I, II, III), the two valves (7, 8) being kept closed in a first phase (I) and the fuel cell ( 1) bypass path (9) arranged bypass valve (10) is opened, so that air from the supply air path (5) is introduced via the bypass path (9) into the exhaust air path (6), in a second phase (II) the two valves ( 7, 8) are at least partially opened and the bypass valve (10) continues to be kept at least partially open, so that air flows through the cathode (3) and the bypass path (9) at the same time, and in a third phase (III) the bypass valve (10) is closed.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase (II) die beiden Ventile (7, 8) kontinuierlich geöffnet werden und/oder das Bypassventil (10) kontinuierlich geschlossen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that in the second phase (II) the two valves (7, 8) are continuously opened and / or the bypass valve (10) is continuously closed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase (II) zwischen 200 und 5000 ms dauert. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the second phase (II) lasts between 200 and 5000 ms.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventile (7, 8) und das Bypassventil (10) elektrisch angesteuert werden, vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts des Brennstoffzellensystems. 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the two valves (7, 8) and the bypass valve (10) are controlled electrically, preferably with the aid of a control device of the fuel cell system.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft im Zuluftpfad (5) mit Hilfe einer in den Zuluftpfad (5) integrierten Luftförder- und Luftverdichtungseinheit (11) gefördert und verdichtet wird, wobei vorzugsweise die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit (11) elektrisch und/oder mittels einer Turbine angetrieben wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the air in the supply air path (5) is conveyed and compressed with the aid of an air delivery and air compression unit (11) integrated into the supply air path (5), preferably the air delivery and air compression unit ( 11) is driven electrically and/or by means of a turbine.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Startfall in der zweiten Phase (II) die Fördermenge der Luftförder- und Luftverdichtungseinheit (11) erhöht wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that when starting in the second phase (II), the delivery rate of the air delivery and air compression unit (11) is increased.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft im Zuluftpfad (5) mit Hilfe einer Kühleinrichtung und/oder einer Befeuchtungseinrichtung konditioniert wird. 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the air in the supply air path (5) is conditioned with the aid of a cooling device and/or a humidifying device.
8. Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. 8. Control device for a fuel cell system, which is designed to carry out steps of a method according to one of the preceding claims.
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