DE102011114797A1 - Method for operating fuel cell system utilized in passenger car to generate electrical driving power, involves recirculating unreacted fuel into fuel, and heating nozzle of fuel jet pump only when fuel is not made to flow through jet pump - Google Patents

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Abstract

The method involves supplying fuel i.e. hydrogen fuel, from a fuel source (7) using an anode region (4). Unreacted fuel is recirculated from the anode region into the anode region flowing fuel over a fuel jet pump (9), where the fuel jet pump comprises a heatable nozzle. The nozzle of the fuel jet pump is heated only when fuel is not made to flow through the fuel jet pump. The fuel is conducted in area of the nozzle over a fuel metering valve (8), where the nozzle is heated during normal operation of a fuel cell system (1) when the fuel metering valve is closed. The fuel cell is designed as a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. The fuel metering valve is designed as an electrically triggered valve or a pulsed valve i.e. pulsed-driven single-solenoid valve.

Description

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

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur stationären elektrischen Energieerzeugung eingesetzt werden oder vorzugweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsenergie in Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Bei solchen Brennstoffzellensystemen ist es bekannt, einen Anodenraum der Brennstoffzelle mit Brennstoff aus einer Brennstoffquelle zu versorgen. Um die gesamte aktive Fläche des Anodenraums ideal ausnutzen zu können, wird dem Anodenraum typischerweise mehr Brennstoff zugeführt, als in diesem umgesetzt werden kann. Der unverbrauchte Brennstoff und das Abgas aus dem Anodenraum werden dann über eine sogenannte Anodenrezirkulation zurückgeführt und zusammen mit frischem Brennstoff dem Anodenraum wieder zugeführt. Im Bereich dieser Rezirkulation ist eine Fördereinrichtung notwendig, um Druckverluste in der Rezirkulationsleitung und dem Anodenraum auszugleichen. Hierfür kann beispielsweise eine Gasstrahlpumpe eingesetzt werden.Fuel cell systems are known from the general state of the art. They can be used, for example, for stationary electrical power generation or, preferably, for generating electrical drive energy in fuel cell vehicles. In such fuel cell systems, it is known to supply an anode space of the fuel cell with fuel from a fuel source. In order to make optimum use of the entire active area of the anode space, more fuel is typically supplied to the anode space than can be converted into it. The unused fuel and the exhaust gas from the anode compartment are then returned via a so-called anode recirculation and fed back to the anode compartment together with fresh fuel. In the area of this recirculation a conveyor is necessary to compensate for pressure losses in the recirculation line and the anode compartment. For this example, a gas jet pump can be used.

Aus der DE 10 2008 003 034 A1 ist eine solche Gasstrahlpumpe für den beschriebenen Einsatz in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Dabei wird die Gasstrahlpumpe beziehungsweise ihre Düse beheizbar ausgebildet, um einem Einfrieren einer Düsenöffnung für den Brennstoff entgegenzuwirken. Der im Stand der Technik beschriebene Aufbau ist vergleichsweise energieintensiv, weil er die Düse immer beheizt. Außerdem kann die Düse zwar zum Auftauen im Falle eines Gefrierstarts, also eines Starts bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, bei dem Wasser im Bereich der Düse eingefroren sein kann, aufgetaut werden. Auch dies ist jedoch sehr zeit- und energieintensiv.From the DE 10 2008 003 034 A1 Such a gas jet pump is known for the described use in a fuel cell system. In this case, the gas jet pump or its nozzle is designed to be heated in order to counteract a freezing of a nozzle opening for the fuel. The construction described in the prior art is comparatively energy-intensive because it always heats the nozzle. In addition, although the nozzle may be thawed for thawing in the case of a freeze start, that is, a start at temperatures below freezing, at which water in the region of the nozzle may have frozen. However, this too is very time and energy intensive.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems anzugeben, welches die benötigte Heizenergie auf ein Minimum beschränkt.The object of the present invention is now to provide a method for operating such a fuel cell system, which limits the required heating energy to a minimum.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by the method having the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass die Beheizung der Düse der Gasstrahlpumpe immer nur dann erfolgt, wenn kein Brennstoff durch die Gasstrahlpumpe strömt. Zwar ist es sinnvoll, die Düse während des Betriebs so warm wie möglich zu halten, damit sich dort weder Wasser, insbesondere in Form von Tropfen, aus dem Betrieb noch Kondensat durch das Abkühlen nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems ausbilden kann, welches dann in den Bereich der Düse eindringt und im Falle, dass Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts auftreten, durch Eisbildung die Düsenöffnungen blockiert. Allerdings ist es nun so, dass, solange Brennstoff durch die Düse strömt, sich dort typischerweise kein Tropfen ausbilden kann. Außerdem führt der durch die Düsen strömende Brennstoff bei eingeschalteter Heizung die Wärme ab. Eine Beheizung in den Augenblicken, in denen Brennstoff durch die Düse strömt, ist also nicht notwendig und vergeudet lediglich wertvolle Energie. Die erfindungsgemäße Lösung, bei welcher die Beheizung immer nur dann erfolgt, wenn kein Brennstoff durch die Gasstrahlpumpe strömt, ist dagegen sehr viel effizienter, da nur dann beheizt wird, wenn die Wärme auch notwendig ist beziehungsweise im Bereich der Düse verbleibt.The inventive method provides that the heating of the nozzle of the gas jet pump always takes place only when no fuel flows through the gas jet pump. While it makes sense to keep the nozzle during operation as warm as possible, so that there neither water, especially in the form of drops, from the operation still condensate can form by cooling after switching off the fuel cell system, which then in the area the nozzle penetrates and, in the event that temperatures below freezing occur, blocked by ice formation, the nozzle openings. However, it is true that as long as fuel flows through the nozzle, typically no drop can form there. In addition, the fuel flowing through the nozzles dissipates heat when the heater is on. A heating in the moments in which fuel flows through the nozzle, so is not necessary and wastes only valuable energy. The solution according to the invention, in which the heating always takes place only when no fuel flows through the gas jet pump, on the other hand, is much more efficient, since it is heated only when the heat is also necessary or remains in the region of the nozzle.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der Brennstoff über ein Brennstoffdosierventil in den Bereich der Düse geleitet wird, wobei die Düse immer nur dann während des normalen Betriebs beheizt wird, wenn das Brennstoffdosierventil geschlossen ist. Typischerweise wird das Brennstoffdosierventil als elektrisch angesteuertes Ventil ausgebildet. Damit liegen elektrische Signale über den Zustand des Brennstoffdosierventils in dem System ohnehin vor. Diese können dann einfach und effizient genutzt werden, um beispielsweise eine elektrische Beheizung der Düse entsprechend ein- beziehungsweise auszuschalten, sodass die Beheizung der Düse immer nur dann erfolgt, wenn das Brennstoffdosierventil geschlossen ist.In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the fuel is passed through a Brennstoffdosierventil in the region of the nozzle, wherein the nozzle is heated only during normal operation, when the Brennstoffdosierventil is closed. Typically, the Brennstoffdosierventil is designed as an electrically controlled valve. Thus, there are electrical signals about the state of the Brennstoffdosierventils in the system anyway. These can then be used easily and efficiently, for example, to turn on or off an electric heating of the nozzle accordingly, so that the heating of the nozzle always takes place only when the Brennstoffdosierventil is closed.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens lässt sich dies vom regulären Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems auf den Betrieb während einer Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems übertragen. Auch in einer solchen Abschaltprozedur ist es sinnvoll, das Ventil entsprechend zu beheizen, um dieses in seiner Temperatur gegenüber den umgebenden Bereichen anzuheben. Eventuelles Kondensat fällt typischerweise an der Stelle des Brennstoffzellensystems an, an der dieses vergleichsweise kalt ist. Damit kann das Auftreten von Kondensat im Bereich der Düse durch ein Beheizen während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems sicher und effizient verhindert werden. Auch hier macht ein Beheizen vor allem dann Sinn, wenn kein Brennstoff strömt, sodass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr energieeffiziente Beheizung der Düse erfolgen kann.In a further very favorable embodiment of the method, this can be transferred from the normal normal operation of the fuel cell system to the operation during a shutdown procedure of the fuel cell system. Even in such a shutdown procedure, it makes sense to heat the valve accordingly to raise this in its temperature relative to the surrounding areas. Any condensate typically accumulates at the location of the fuel cell system where it is comparatively cold. Thus, the occurrence of condensate in the region of the nozzle by heating during shutdown of the fuel cell system can be prevented safely and efficiently. Here, too, heating makes sense above all when no fuel flows, so that a very energy-efficient heating of the nozzle can take place by the method according to the invention.

Vergleichbares gilt für eine Startprozedur, in welcher die Beheizung gegebenenfalls zu einem Auftauen, was bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung jedoch nicht notwendig sein wird, oder zu einem Vorwärmen der Düse genutzt wird, um diese beim Entspannen des anströmenden Brennstoffs nicht unnötig stark abzukühlen. Auch hier macht es nur Sinn zu beheizen, solange kein Brennstoff durch die Düse beziehungsweise das Brennstoffdosierventil strömt, da nur dann die Energie effizient zur Beheizung der Düse eingesetzt werden kann. The same applies to a starting procedure in which the heating is optionally thawing, which will not be necessary in the method according to the invention, or is used to preheat the nozzle so as not to unnecessarily cool it when releasing the onflowing fuel. Again, it only makes sense to heat as long as no fuel flows through the nozzle or the Brennstoffdosierventil, because only then the energy can be used efficiently to heat the nozzle.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Beheizung während einer Vorbereitungsprozedur auf einen späteren Start des Brennstoffzellensystems erfolgt. Auch in einer solchen Vorbereitungsprozedur kann noch Feuchtigkeit im Bereich des Brennstoffzellensystems vorhanden sein. Diese kondensiert typischerweise an der kältesten Stelle des Systems, welche im Allgemeinen durch metallische Bauteile wie beispielsweise die Düse der Gasstrahlpumpe ausgebildet wird. Wird in einer solchen Vorbereitungsprozedur nun die Düse geheizt ohne das Brennstoff durch sie strömt, so kann es zu einer Auskondensation der Flüssigkeit an anderen unkritischen Stellen kommen, um so die volle Funktionsfähigkeit der Düse ohne aufwändiges Auftauen vor einem eventuellen Start bereitzustellen.In a further embodiment of the method according to the invention, it may also be provided that the heating takes place during a preparation procedure for a later start of the fuel cell system. Even in such a preparation procedure, moisture may still be present in the region of the fuel cell system. This typically condenses at the coldest point of the system, which is generally formed by metallic components such as the nozzle of the gas jet pump. If the nozzle is heated in such a preparation procedure now without the fuel flowing through it, it may lead to a condensation of the liquid at other non-critical points, so as to provide the full functionality of the nozzle without laborious thawing before a possible start.

Die Vorbereitungsprozedur kann dabei gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung immer dann ausgelöst werden, wenn die Umgebungstemperatur im Stillstand des Brennstoffzellensystems unter einem vorgegebenen Temperaturgrenzwert abfällt. Ein Wiederstart des Brennstoffzellensystems ist vor allem unter Gefrierbedingungen, also bei Umgebungstemperaturen unterhalb von 0°C, problematisch. Die Vorbereitungsprozedur, welche beispielsweise durch die Beheizung der Düse vergleichsweise energieintensiv ist, ist aber nicht immer notwendig, da die Temperatur beim Start des Brennstoffzellensystems nicht immer unter 0°C liegen wird. Daher ist es möglich, über eine Temperaturüberwachung der Umgebungstemperatur eine solche Vorbereitungsprozedur idealerweise nur dann auszulösen, wenn die Gefahr besteht, dass die Temperatur unterhalb von 0°C absinkt. Dies kann beispielsweise ab einem Schwellenwert von 5°C oder einem ähnlichen Wert erfolgen, sodass in diesen Fallen eine Vorbereitungsprozedur durchgeführt wird, welche insbesondere durch das Beheizen der Düse ein Trocknen derselben beziehungsweise ein Auskondensieren von Flüssigkeit in anderen Bereichen als im Bereich der Düse bewirkt. Dadurch lässt sich das Brennstoffzellensystem in einen Zustand bringen, in dem dieses problemlos wieder gestartet werden kann, ohne ein zeit- beziehungsweise energieintensives Auftauen der Düse zu benötigen.The preparation procedure can always be triggered according to a particularly favorable and advantageous development, when the ambient temperature drops below a predetermined temperature limit at standstill of the fuel cell system. A restart of the fuel cell system is especially under freezing conditions, ie at ambient temperatures below 0 ° C, problematic. However, the preparation procedure, which is comparatively energy-intensive, for example due to the heating of the nozzle, is not always necessary since the temperature at the start of the fuel cell system will not always be below 0 ° C. Therefore, it is possible to trigger such a preparation procedure ideally only via an ambient temperature monitoring if there is a risk of the temperature dropping below 0 ° C. This can be done, for example, from a threshold value of 5 ° C. or a similar value, so that in these cases a preparation procedure is carried out which, in particular by heating the nozzle, causes it to dry or condense in other areas than in the area of the nozzle. As a result, the fuel cell system can be brought into a state in which this can be easily restarted without requiring time- or energy-intensive thawing of the nozzle.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Brennstoff über ein Brennstoffdosierventil in den Bereich der Düse geleitet wird, wobei das Brennstoffdosierventil zur Einstellung eines gewünschten Volumenstroms gepulst betrieben wird, und wobei eine Beheizung der Düse nicht erfolgt, während das Brennstoffdosierventil gepulst betrieben ist. Häufig werden als Dosierventile gepulst betriebene Magnetventile verwendet. Anhand eines Pulsweitenverhältnisses wird dann der gewünschte Volumenstrom eingestellt. Die Frequenzen für das Pulsen sind typischerweise sehr hoch. Nun macht es keinen Sinn, eine Beheizung der Düse vorzunehmen, während eines solchen gepulsten Betriebs, weil dann in Abhängigkeit des Öffnens und des Schließens des Dosierventils die Beheizung analog zum Pulsweitenverhältnis des Dosierventils immer ein- und ausgeschaltet werden würde. Dies ist wenig effizient. Daher ist es bei einer solchen Ausgestaltung des Brennstoffdosierventils als gepulstes Ventil vorgesehen, dass die Beheizung der Düse nur dann erfolgt, wenn das Dosierventil wirklich geschlossen ist und nicht während dieses gepulst betrieben ist, also ein Volumenstrom an Brennstoff gepulst in den Bereich der Düse dosiert wird.In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the fuel is passed through a Brennstoffdosierventil in the region of the nozzle, wherein the Brennstoffdosierventil is pulsed to set a desired volume flow, and wherein a heating of the nozzle does not occur while the fuel metering valve is pulsed. Frequently used as metering valves pulsed operated solenoid valves. Based on a pulse width ratio then the desired flow rate is set. The frequencies for the pulses are typically very high. Now it makes no sense to make a heating of the nozzle, during such a pulsed operation, because then depending on the opening and closing of the metering valve, the heating would be switched on and off analogous to the pulse width ratio of the metering valve. This is not very efficient. Therefore, it is provided in such an embodiment of the Brennstoffdosierventils as a pulsed valve that the heating of the nozzle takes place only when the metering valve is really closed and not pulsed during this operation, so a volume flow of fuel pulsed in the region of the nozzle is metered ,

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; 1 an exemplary fuel cell system in a vehicle;

2 eine Darstellung durch eine Gasstrahlpumpe in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung. 2 a representation by a gas jet pump in a possible embodiment according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft und sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 zeigt. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Hier könnte prinzipiell auch eine Nachbereitung, beispielsweise eine Nachverbrennung, eine Turbine oder dergleichen angeordnet sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch nicht von Interesse, sodass auf eine Darstellung verzichtet worden ist.In the presentation of the 1 is purely exemplary and very highly schematized a fuel cell system 1 in an indicated vehicle 2 to recognize. The fuel cell system 1 essentially comprises a fuel cell 3 which in turn has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5 shows. The fuel cell 3 should be designed as a stack of PEM fuel cells. The cathode compartment 5 the fuel cell 3 is via an air conveyor 6 supplied with air as an oxygen supplier. The exhaust air from the cathode compartment 5 arrives in the embodiment shown here to the environment. Here, in principle, a post-processing, for example, an afterburner, a turbine or the like could be arranged. However, this is not of interest for the present invention, so that a representation has been omitted.

Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff H2 versorgt, welcher aus einem Druckgasspeicher 7 stammt. Er gelangt über eine Druckregeleinrichtung 8 und eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 9 in den Anodenraum 4. Aus dem Bereich des Anodenraums 4 gelangt Abgas A aus dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 10 zurück in den Bereich der Gasstrahlpumpe 9, und wird von dieser als sekundärer Gasstrom angesaugt und zurück in den Anodenraum 4 gefördert. Dieses Prinzip einer Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es dient dazu, den Anodenraum 4 mit einem Überschuss an Wasserstoff H2 zu versorgen, um seine aktive Fläche bestmöglichst auszunutzen. Der im Abgas aus dem Anodenraum 4 verbleibende Restwasserstoff wird dann zusammen mit inerten Gasen, welche durch die Membranen aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind und einem kleinen Teil des Produktwasser, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über die Rezirkulationsleitung 10 zurückgefördert und dem Anodenraum 4 vermischt mit dem frischen Wasserstoff H2 erneut zugeführt. Da sich in einer solchen Anodenrezirkulation mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern und dadurch die Wasserstoffkonzentration sinkt, muss, beispielsweise von Zeit zu Zeit, Wasser und Gas aus der Anodenrezirkulation abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Ablassventil 11 prinzipmäßig angedeutet. The anode compartment 4 the fuel cell 3 is supplied with hydrogen H 2 , which consists of a compressed gas storage 7 comes. He passes through a pressure regulator 8th and a later explained in more detail gas jet pump 9 in the anode compartment 4 , From the area of the anode compartment 4 exhaust gas A comes out of the anode compartment 4 via a recirculation line 10 back to the area of the gas jet pump 9 , and is sucked by this as a secondary gas stream and back into the anode compartment 4 promoted. This principle of an anode recirculation is known from the general state of the art. It serves to the anode space 4 to supply an excess of hydrogen H 2 in order to make the best possible use of its active area. The in the exhaust from the anode compartment 4 Residual hydrogen remaining is then together with inert gases passing through the membranes from the cathode compartment 5 in the anode compartment 4 are diffused and a small portion of the product water, which in the anode compartment 4 arises, via the recirculation line 10 fed back and the anode room 4 fed again mixed with the fresh hydrogen H 2 . Since in such an anode recirculation over time, inert gases and water accumulate and thereby the hydrogen concentration decreases, it is necessary, for example from time to time, to discharge water and gas from the anode recirculation. This is in the presentation of the 1 a drain valve 11 indicated in principle.

Um nun die Druckverluste im Bereich des Anodenraums 4 und im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ausgleichen zu können, ist es notwendig, eine Rezirkulationsfördereinrichtung für das rezirkulierte Abgas aus dem Anodenraum 4 vorzusehen. Als Rezirkulationsfördereinrichtung ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 die bereits erwähnte Gasstrahlpumpe 9 vorgesehen.Now to the pressure losses in the region of the anode compartment 4 and in the area of the recirculation line 10 To be able to compensate, it is necessary, a recirculation conveyor for the recirculated exhaust gas from the anode compartment 4 provided. As a recirculation conveyor is in the embodiment shown here the 1 the already mentioned gas jet pump 9 intended.

Die oben beschriebene Gasstrahlpumpe 9 ist dabei in der Darstellung der 2 näher zu erkennen. Die Schnittdarstellung durch die Gasstrahlpumpe 9 zeigt eine Düse 12, welcher über ein Leitungselement 13 und eine Düsenöffnung 14 der Wasserstoff H2 als primärer Gasstrom zugeführt wird. Aus dem Bereich der Düse 12 gelangt der primäre Gasstrom in einen Ansaugbereich I, in welchem der primäre Gasstrom Abgas A aus der Rezirkulationsleitung 10 ansaugt. Die beiden Gase gelangen dann in einen Mischbereich II, bevor sie die Gasstrahlpumpe 9 über einen Diffusor wieder verlassen. Bei der typischen Auslegung des Brennstoffzellensystems 1 für einen Personenkraftwagen als Fahrzeug ist es nun so, dass die Düsenöffnung 14 in etwa einen Durchmesser von 2 bis 3 mm aufweisen muss. Diese Baugröße ist jedoch besonders kritisch hinsichtlich des Einfrierens, da Wasser aus einer solch dünnen Düsenöffnung 14 nicht automatisch abläuft, sondern durch den Kapillareffekt im Bereich der Düsenöffnung 14 gehalten wird. Um ein Einfrieren zu verhindern, ist deshalb ein elektrisches Heizelement 15 im Bereich der Düse 12 vorgesehen. Dieses kann die Düse 12 erwärmen und so ein Einfrieren von Wasser, insbesondere im Bereich der Düsenöffnung 14, sicher und zuverlässig verhindern. Nun ist es so, dass diese Vorgehensweise vergleichsweise energieintensiv ist. Wird über das Dosierventil 8 Wasserstoff H2 durch die Leitung 13 zur Düse 12 transportiert und tritt durch die Düsenöffnung 14 in den Ansaugbereich 1 ein, dann nimmt dieser Wasserstoff H2 die Wärme aus dem Bereich der Düse 12 mit.The gas jet pump described above 9 is in the presentation of the 2 to recognize closer. The sectional view through the gas jet pump 9 shows a nozzle 12 , which has a conduit element 13 and a nozzle opening 14 the hydrogen H 2 is supplied as a primary gas stream. From the area of the nozzle 12 the primary gas stream enters an intake region I, in which the primary gas flow exhaust gas A from the recirculation line 10 sucks. The two gases then pass into a mixing zone II before passing the gas jet pump 9 leave again via a diffuser. In the typical design of the fuel cell system 1 for a passenger car as a vehicle, it is now so that the nozzle opening 14 must have approximately a diameter of 2 to 3 mm. However, this size is particularly critical in terms of freezing, since water from such a thin nozzle opening 14 does not run automatically, but by the capillary effect in the area of the nozzle opening 14 is held. To prevent freezing is therefore an electrical heating element 15 in the area of the nozzle 12 intended. This can be the nozzle 12 heat up and freeze water, especially in the area of the nozzle opening 14 to safely and reliably prevent. Now it is the case that this procedure is comparatively energy-intensive. Is via the metering valve 8th Hydrogen H 2 through the pipe 13 to the nozzle 12 transported and enters through the nozzle opening 14 in the intake area 1 a, then this hydrogen H 2 takes the heat from the area of the nozzle 12 With.

Daher ist es vorgesehen, dass der Zustand des Dosierventils 8 entsprechend erfasst und in einer Steuerungseinrichtung 16 ausgewertet wird. Immer wenn das Dosierventil 8 geschlossen ist, also kein Wasserstoff H2 zur Düse 12 und durch die Düse 12 beziehungsweise die Düsenöffnungen 14 strömt, dann schließt das Steuergerät 16 einen Schalter 17 zur elektrischen Energieversorgung des Heizelements 15 und die Düse 12 wird beheizt. Immer wenn das Dosierventil 8 geöffnet ist und Wasserstoff H2 durch die Düse 12 strömt, dann wird der Schalter 17 geöffnet, sodass die Düse 12 nicht beheizt wird. Eine Abfuhr der Wärme über den Wasserstoffstrom H2 wird dadurch verhindert. Dies kann die Energie, welche zur Beheizung der Düse 12 notwendig ist, bei idealer Aufrechterhaltung der Funktion der Düse 12 über alle Betriebsbereiche hinweg minimieren. Außerdem wird, während ein Gasstrom des primären Gases durch die Düsenöffnung 14 erfolgt, ein Eindringen von Wasser in den Bereich der Düsenöffnung 14 verhindert, da der Gasstrom das Wasser „ausbläst”. Eine Beheizung der Düse 12, während der primäre Gasstrom strömt, ist auch deshalb nicht notwenig.Therefore, it is provided that the state of the metering valve 8th detected accordingly and in a control device 16 is evaluated. Whenever the metering valve 8th is closed, so no hydrogen H 2 to the nozzle 12 and through the nozzle 12 or the nozzle openings 14 flows, then closes the controller 16 a switch 17 for the electrical power supply of the heating element 15 and the nozzle 12 is heated. Whenever the metering valve 8th is open and hydrogen H 2 through the nozzle 12 flows, then the switch 17 opened so that the nozzle 12 not heated. A removal of heat via the hydrogen stream H 2 is thereby prevented. This can be the energy used to heat the nozzle 12 is necessary, with ideal maintenance of the function of the nozzle 12 minimize across all operating areas. In addition, while a gas flow of the primary gas through the nozzle opening 14 takes place, an ingress of water in the region of the nozzle opening 14 prevented because the gas flow "blows out" the water. A heating of the nozzle 12 , while the primary gas flow flows, is therefore not necessary.

Das Brennstoffdosierventil 8 wird in den herkömmlichen Aufbauten häufig als gepulstes Ventil ausgebildet, beispielsweise als gepulst betriebenes Magnetventil. Zum Einstellen des gewünschten Volumenstroms des primären Gases wird eine Modulation der Pulsweite des gepulsten Betriebs des Brennstoffdosierventils 8 vorgenommen. Nun macht es wenig Sinn, während eines solchen gepulsten Betriebs das Heizelement 15 analog hierzu ständig aus- und einzuschalten. Von dem Steuergerät 16 wird der gepulste Betrieb daher als „Offen”-Stellung des Dosierventils 8 erfasst und der Schalter 17 entsprechend nicht geschlossen. Erst wenn die Dosierung des Wasserstoffs H2 entsprechend abgestellt wird, wird von der Steuereinrichtung 16 eine Geschlossen-Stellung des Dosierventils 8 erkannt und der Schalter 17 entsprechend geschlossen, sodass die Düse 12 beheizt wird.The fuel metering valve 8th is often formed in the conventional constructions as a pulsed valve, for example as a pulsed solenoid operated valve. To adjust the desired volume flow of the primary gas, a modulation of the pulse width of the pulsed operation of the Brennstoffdosierventils 8th performed. Now, it makes little sense during such a pulsed operation, the heating element 15 analogous to this constantly off and on. From the controller 16 Therefore, the pulsed operation is considered to be the "open" position of the metering valve 8th captured and the switch 17 accordingly not closed. Only when the dosage of hydrogen H 2 is turned off, is the control device 16 a closed position of the metering valve 8th detected and the switch 17 closed accordingly, so that the nozzle 12 is heated.

Das Verfahren lässt sich während des regulären Betriebs einsetzen, ebenso während Abschaltprozeduren oder Startprozeduren, um durch ein Beheizen der Düse 12 deren Funktionsfähigkeit sicherzustellen. Außerdem lässt sich das Verfahren einsetzen, um, ohne das Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 3 dosiert wird, das Brennstoffzellensystem 1 auf einen eventuellen Gefrierstart vorzubereiten, beispielsweise falls die Umgebungstemperatur unter einem kritischen vorgegebenen Temperaturwert von beispielsweise 3 bis 5°C fällt und demnach die Gefahr eines eventuellen späteren Gefrierstarts des Brennstoffzellensystems 1 bevorsteht.The method can be used during regular operation, as well as during shutdown procedures or start-up procedures, by heating the nozzle 12 to ensure their functionality. In addition, the procedure can be insert, without, the hydrogen gas into the fuel cell 3 is metered, the fuel cell system 1 to prepare for a possible freeze start, for example, if the ambient temperature falls below a critical predetermined temperature value, for example, 3 to 5 ° C and therefore the risk of eventual subsequent freeze start of the fuel cell system 1 imminent.

Der Aufbau ist dabei sehr einfach und effizient und erlaubt einen energieoptimierten Betrieb des Brennstoffzellensystems, bei welchem ein Einfrieren der Düse 12 beziehungsweise der Düsenöffnung 14 der Düse 12 in der Gasstrahlpumpe 9 sicher und zuverlässig verhindert wird.The structure is very simple and efficient and allows energy-optimized operation of the fuel cell system, in which a freezing of the nozzle 12 or the nozzle opening 14 the nozzle 12 in the gas jet pump 9 safe and reliable prevented.

Beispielhaft ist die Gasstrahlpumpe 9 dabei mit einer einzigen Düsenöffnung 14 dargestellt. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das Verfahren entsprechend bei Gasstrahlpumpen 9 mit mehreren Düsenöffnungen 14 innerhalb einer einzigen Gasstrahlpumpe 9 oder mehreren parallelen Düsen 12 in mehreren parallelen Gasstrahlpumpen 9 entsprechend anzuwenden.An example is the gas jet pump 9 with a single nozzle opening 14 shown. Of course, it would also be possible, the process according to gas jet pumps 9 with several nozzle openings 14 within a single gas jet pump 9 or more parallel nozzles 12 in several parallel gas jet pumps 9 apply accordingly.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008003034 A1 [0003] DE 102008003034 A1 [0003]

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (5) aufweist, wobei dem Anodenraum (4) Brennstoff (H2) aus einer Brennstoffquelle (7) zugeführt wird, wobei unverbrauchtes Abgas (A) aus dem Anodenraum (4) über eine Gasstrahlpumpe (9) in den zum Anodenraum (4) strömenden Brennstoff (H2) rezirkuliert wird, und wobei die Gasstrahlpumpe (9) eine beheizbare Düse (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung der Düse (12) der Gasstrahlpumpe (9) immer nur dann erfolgt, wenn kein Brennstoff (H2) durch die Gasstrahlpumpe (9) strömt.Method for operating a fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ) containing an anode space ( 4 ) and a cathode compartment ( 5 ), wherein the anode space ( 4 ) Fuel (H 2 ) from a fuel source ( 7 ), wherein unused exhaust gas (A) from the anode space ( 4 ) via a gas jet pump ( 9 ) into the anode space ( 4 ) flowing fuel (H 2 ) is recirculated, and wherein the gas jet pump ( 9 ) a heated nozzle ( 12 ), characterized in that the heating of the nozzle ( 12 ) of the gas jet pump ( 9 ) takes place only when no fuel (H 2 ) through the gas jet pump ( 9 ) flows. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (H2) über ein Brennstoffdosierventil (8) in den Bereich der Düse (12) geleitet wird, wobei die Düse (12) immer dann während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems (1) beheizt wird, wenn das Brennstoffdosierventil (8) geschlossen ist.A method according to claim 1, characterized in that the fuel (H 2 ) via a Brennstoffdosierventil ( 8th ) in the area of the nozzle ( 12 ), whereby the nozzle ( 12 ) during normal operation of the fuel cell system ( 1 ) is heated when the fuel metering valve ( 8th ) closed is. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (H2) über ein Brennstoffdosierventil (8) in den Bereich der Düse (12) geleitet wird, wobei die Düse (12) immer dann während einer Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems (1) beheizt wird, wenn das Brennstoffdosierventil (8) geschlossen ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel (H 2 ) via a Brennstoffdosierventil ( 8th ) in the area of the nozzle ( 12 ), whereby the nozzle ( 12 ) during a shutdown procedure of the fuel cell system ( 1 ) is heated when the fuel metering valve ( 8th ) closed is. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (H2) über ein Brennstoffdosierventil (8) in den Bereich der Düse (12) geleitet wird, wobei die Düse (12) immer dann während einer Startprozedur des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems (1) beheizt wird, wenn das Brennstoffdosierventil (8) geschlossen ist.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the fuel (H 2 ) via a Brennstoffdosierventil ( 8th ) in the area of the nozzle ( 12 ), whereby the nozzle ( 12 ) during a start-up procedure of the normal operation of the fuel cell system ( 1 ) is heated when the fuel metering valve ( 8th ) closed is. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (H2) über ein Brennstoffdosierventil (8) in den Bereich der Düse (12) geleitet wird, wobei die Düse (12) immer dann während einer Vorbereitungsprozedur auf einen späteren Start des Brennstoffzellensystems (1) beheizt wird, wenn das Brennstoffdosierventil (8) geschlossen ist.A method according to claim 1 to 4, characterized in that the fuel (H 2 ) via a Brennstoffdosierventil ( 8th ) in the area of the nozzle ( 12 ), whereby the nozzle ( 12 ) during a preparatory procedure for a later start of the fuel cell system ( 1 ) is heated when the fuel metering valve ( 8th ) closed is. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbereitungsprozedur immer dann ausgelöst wird, wenn die Umgebungstemperatur im Stillstand des Brennstoffzellensystems (1) unter einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert abfällt.A method according to claim 5, characterized in that the preparation procedure is always triggered when the ambient temperature at standstill of the fuel cell system ( 1 ) falls below a predetermined temperature limit. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (H2) über ein Brennstoffdosierventil (8) in den Bereich der Düse (12) geleitet wird, wobei das Brennstoffdosierventil (8) zur Einstellung eines gewünschten Volumenstroms gepulst betrieben wird, und wobei die Düse (12) während des gepulsten Betriebs des Brennstoffdosierventils (8) nicht beheizt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fuel (H 2 ) via a Brennstoffdosierventil ( 8th ) in the area of the nozzle ( 12 ), whereby the fuel metering valve ( 8th ) is operated pulsed to set a desired volume flow, and wherein the nozzle ( 12 ) during the pulsed operation of the fuel metering valve ( 8th ) is not heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) über ein elektrisches Heizelement (15) beheizt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the nozzle ( 12 ) via an electrical heating element ( 15 ) is heated.
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