DE102019133089A1 - Fuel cell device, method for operating a fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device - Google Patents

Fuel cell device, method for operating a fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle (2) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (3), dessen Kathodenseite durch eine Frischluftleitung (9) mit Frischluft und dessen Anodenseite aus einem Brennstofftank (13) durch eine Brennstoffleitung (12) mit Brennstoff versorgbar ist, mit einer Kathodenabgasleitung (10) und einer Anodenabgasleitung (16), und mit einem Steuergerät (17) für das Schalten von den Leitungen zugeordneten Aktoren, wobei die Leitungen und Aktoren durch eine elektrisch leitfähige und durch eine Spannung beaufschlagbare Pilotlinie (5) miteinander verbunden sind, die an einen Signaleingang des Steuergeräts (17) angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3) having at least one fuel cell (2), the cathode side of which can be supplied with fresh air through a fresh air line (9) and the anode side of which can be supplied with fuel from a fuel tank (13) through a fuel line (12) is, with a cathode exhaust gas line (10) and an anode exhaust gas line (16), and with a control unit (17) for switching actuators assigned to the lines, the lines and actuators being connected to one another by an electrically conductive pilot line (5) that can be acted upon by a voltage are connected, which is connected to a signal input of the control unit (17). The invention also relates to a method for operating a fuel cell device (1) and a motor vehicle with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, dessen Kathodenseite durch eine Frischluftleitung mit Frischluft und dessen Anodenseite aus einem Brennstofftank durch eine Brennstoffleitung mit Brennstoff versorgbar ist, mit einer Kathodenabgasleitung und einer Anodenabgasleitung, und mit einem Steuergerät für das Schalten von den Leitungen zugeordneten Aktoren, wobei die Leitungen und Aktoren durch eine elektrisch leitfähige und durch eine Spannung beaufschlagbare Pilotlinie miteinander verbunden sind, die an einen Signaleingang des Steuergeräts angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a fuel cell device with a fuel cell stack having at least one fuel cell, the cathode side of which can be supplied with fresh air through a fresh air line and the anode side of which can be supplied with fuel from a fuel tank through a fuel line, with a cathode exhaust line and an anode exhaust line, and with a control device for switching the Actuators assigned to lines, the lines and actuators being connected to one another by an electrically conductive pilot line which can be acted upon by a voltage and which is connected to a signal input of the control unit. The invention also relates to a method for operating a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für „membrane electrode assembly“), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for "membrane electrode assembly") as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. A (water-bound or water-free) transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, der in der Regel als elektrischer Verdichter ausgestaltet ist. Für eine umfassende Kontrolle der Gasströme in den Leitungen sind diesen die Aktoren zugeordnet.In order to provide sufficient oxygen from the air for the large number of fuel cells combined in a fuel cell stack, air with the oxygen contained therein is compressed in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack by means of a compressor, which is usually designed as an electric compressor. The actuators are assigned to these for comprehensive control of the gas flows in the lines.

Die DE 10 2011 004 355 A1 offenbart für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug die Verwendung einer Überwachungsleitung für spannungsführende Leiterstrukturen, wobei die Überwachungsleitung auch als Pilotline bekannt ist und Teil eines externen Diagnosesystems darstellt, mit dessen Hilfe die elektrischen Komponenten des Fahrzeugs überwacht werden. Bei einem solchen System sind die elektrischen Anschlüsse neben den Hauptkontakten zur Spannungsversorgung auch mit zwei Zusatzkontakten für die Überwachungsleitung ausgestattet. In den Druckschriften CA 2,241,846 A1 und US 7,240,641 B2 werden Wasserstoff generierende Vorrichtungen vorgestellt, bei denen Überwachungssysteme für die Überwachung der Betriebsbedingungen und ein Kontrollsystem eingesetzt werden, um den Betrieb in Abhängigkeit der Überwachung durchführen zu können. Die WO 2017/184983 A1 beschreibt die Überwachung der Kontaminierung von Gasen für Brennstoffzellenvorrichtungen, wobei eine Steuereinheit den Betrieb in Abhängigkeit von erfassten Betriebsparametern kontrolliert. The DE 10 2011 004 355 A1 discloses the use of a monitoring line for live conductor structures for an electrically powered vehicle, the monitoring line also being known as a pilot line and being part of an external diagnostic system with the aid of which the electrical components of the vehicle are monitored. In such a system, the electrical connections are not only equipped with the main contacts for power supply but also with two additional contacts for the monitoring line. In the publications CA 2,241,846 A1 and US 7,240,641 B2 Hydrogen generating devices are presented in which monitoring systems are used to monitor the operating conditions and a control system to be able to carry out the operation as a function of the monitoring. The WO 2017/184983 A1 describes the monitoring of the contamination of gases for fuel cell devices, with a control unit controlling the operation as a function of recorded operating parameters.

Wasserstoff ist ein brennbarer und explosionsgefährdeter Brennstoff, so dass strenge Maßnahmen ergriffen werden, um zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Sicherheit gewährleisten zu können. Teil des Sicherheitskonzeptes ist dabei, eine Verdünnung der H2-Konzentration im in der Anodenabgasleitung geführten Anodenabgas durch einen ausreichend großen Luftmassenstrom zu erzielen, der durch den Verdichter bereitgestellt wird. Alle dafür benötigten Komponenten müssen einwandfrei funktionieren, wobei die Überwachung erschwert ist, weil die Leitungen zum Beispiel passiv sind.Hydrogen is a combustible and explosive fuel, so strict measures are taken to ensure adequate safety at all times. Part of the safety concept is to achieve a dilution of the H 2 concentration in the anode exhaust gas guided in the anode exhaust line by means of a sufficiently large air mass flow that is provided by the compressor. All of the components required for this must function perfectly, although monitoring is made more difficult because the lines are passive, for example.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Sicherheitsniveau für Brennstoffzellenvorrichtungen bei deren Anwendung weiter zu steigern.The object of the present invention is to further increase the level of safety for fuel cell devices when they are used.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell device with the features of claim 1, by a method with the features of claim 6 and by a motor vehicle with the features of claim 8. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Erhöhung der Betriebssicherheit erreicht wird, da eine weitergehende Kontrolle der in den Wasserstofftransport involvierten Bauteile und Komponenten vorliegt und insbesondere auch passive Bauteile überwacht werden können. Dabei wird insbesondere überwacht, ob die Bauteile, also sowohl Aktoren als auch Leitungen, vorhanden, richtig verbaut und mechanisch in Ordnung sind. Zu beachten ist dabei, dass auch die Pilotlinie als solche in die Überwachung einbezogen ist, also die Pilotlinie zu den überwachten Bauteilen zählt.The fuel cell device according to the invention is distinguished by the fact that an increase in operational reliability is achieved, since the parts and components involved in the hydrogen transport are monitored more extensively and, in particular, passive components can also be monitored. In particular, it is monitored whether the components, i.e. both actuators and lines, are present, correctly installed and mechanically in order. It should be noted that the Pilot line as such is included in the monitoring, so the pilot line is one of the monitored components.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aktoren ausgewählt sind aus einer Gruppe, die ein in einem Anodenkreislauf eingebundenes Rezirkulationsgebläse, ein Wasserstoffdosierventil, einen in die Frischluftleitung eingebundenen Verdichter, ein Frischluftdosierventil, ein Frischluftleitung-Bypassventil, ein Kathodenabgasventil, ein Anodenkreislauf-Bypassventil, ein Purgeventil umfasst. Damit besteht die Möglichkeit einer umfassenden Kontrolle der Gase führenden Leitungen sowie der zur Strömungskontrolle beziehungsweise Richtungskontrolle erforderlichen Ventile.It is particularly preferred if the actuators are selected from a group that includes a recirculation fan integrated in an anode circuit, a hydrogen metering valve, a compressor integrated into the fresh air line, a fresh air metering valve, a fresh air line bypass valve, a cathode exhaust valve, an anode circuit bypass valve, a purge valve includes. This provides the possibility of a comprehensive control of the lines carrying gases as well as the valves required for flow control or direction control.

Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Pilotlinie als Einzeldraht ausgeführt ist, der eine elektrische Verbindung von Bauteil zu Bauteil bildet.There is the possibility that the pilot line is designed as a single wire that forms an electrical connection from component to component.

Hinsichtlich der Leitungen ist dabei bevorzugt, dass der Einzeldraht als Wicklung in Umfangsrichtung um die Leitungen geführt ist, wobei auch hier die Integrität des Einzeldrahtes Gegenstand der Überwachung ist.With regard to the lines, it is preferred that the individual wire is wound around the lines in the circumferential direction, the integrity of the individual wire being monitored here as well.

Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Pilotlinie im Bereich der Leitungen als die Leitung in Umfangsrichtung umgebendes Drahtnetz gebildet ist, so dass eine Änderung der elektrischen Eigenschaften bei Störungen detektiert wird.Alternatively, there is also the possibility that the pilot line is formed in the area of the lines as a wire mesh surrounding the line in the circumferential direction, so that a change in the electrical properties is detected in the event of faults.

Bei einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung besteht die Möglichkeit der Durchführung eines Verfahrens, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Pilotlinie durch das Steuergerät überwacht und bei einer Störung die Aktoren verstellt werden, derart, dass ein sicherer Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht wird. Insbesondere wird bei einer Unterbrechung der Pilotlinie mindestens ein Verfahrensschritt ausgeführt, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die das Schließen des Wasserstoffdosierventils, eine Leistungssteigerung des Verdichters, das Abschalten der Brennstoffvorrichtung, das Öffnen des Purgeventils, das Öffnen des Frischluftleitung-Bypassventil umfasst. Diese Maßnahmen dienen einer Reduktion der Wasserstoffkonzentration in der Anodenabgasleitung, um eine hohe H2-Emission zu verhindern und einen sicheren Betriebszustand zu gewährleisten oder anderenfalls den Betrieb zu beenden.In such a fuel cell device, there is the possibility of carrying out a method in which the electrical properties of the pilot line are monitored by the control device and the actuators are adjusted in the event of a fault in such a way that a safe operating state of the fuel cell device is achieved. In particular, if the pilot line is interrupted, at least one method step is carried out which is selected from a group that includes closing the hydrogen metering valve, increasing the performance of the compressor, switching off the fuel device, opening the purge valve, opening the fresh air line bypass valve. These measures serve to reduce the hydrogen concentration in the anode exhaust line in order to prevent high H 2 emissions and to ensure a safe operating state or otherwise to terminate operation.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Kraftfahrzeug mit einer vorstehend erläuterten Brennstoffzellenvorrichtung.The above-mentioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a motor vehicle with a fuel cell device explained above.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei die mit der Pilotlinie versehenen Leitungen strichliert dargestellt sind,
  • 2 einen Ausschnitt einer Leitung mit der als Drahtnetz ausgeführten Pilotlinie, und
  • 3 eine der 2 entsprechende Darstellung mit der Pilotlinie in einer Wicklung.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device, wherein the lines provided with the pilot line are shown in dashed lines,
  • 2 a section of a line with the pilot line designed as a wire mesh, and
  • 3rd one of the 2 corresponding representation with the pilot line in one winding.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.In the 1 Fig. 3 is a schematic of a fuel cell device 1 shown, these being a plurality of in a fuel cell stack 3rd combined fuel cells 2 includes.

Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 2 comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can take fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode compartment 13th are fed. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be supplied to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 in einer zu dem Brennstoffzellenstapel 3 geführten Frischluftleitung 9 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt, wobei die Feuchte aus einer Kathodenabgasleitung 10 zur Verfügung gestellt wird.Because in the fuel cell stack 3rd several fuel cells 2 summarized, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that through a compressor 18th in one to the fuel cell stack 3rd guided fresh air duct 9 a large cathode gas mass flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas, i.e. its setting with regard to that in the fuel cell stack 3rd desired temperature and humidity, takes place in one of the compressor 18th downstream humidifier 4th , the moisture saturation of the membranes of the fuel cells 2 to increase their efficiency, since this favors the transport of protons, with the moisture coming from a cathode exhaust pipe 10 is made available.

Der Brennstoffzellenstapel 3 wird auf seiner Anodenseite aus einem Brennstofftank 13 durch eine Brennstoffleitung 12 mit Brennstoff versorgt, wobei nicht verbrauchter Brennstoff mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses 15 in einer Rezirkulationsleitung 14 zu der Brennstoffleitung 12 stromauf des Brennstoffzellenstapels 3 zurück geführt werden kann. Auch liegt eine Anodenabgasleitung 16 vor, die eine Abgabe des Anodenabgases an die Umgebung ermöglicht.The fuel cell stack 3rd is made from a fuel tank on its anode side 13th through a fuel line 12th supplied with fuel, with unused fuel with the help of a recirculation fan 15th in a recirculation line 14th to the fuel line 12th upstream of the fuel cell stack 3rd can be led back. There is also an anode exhaust line 16 before, which enables a discharge of the anode exhaust gas to the environment.

Die Kontrolle über die Gasströme erfolgt durch ein Steuergerät 17 für das Schalten von den Leitungen zugeordneten Aktoren, die das in den Anodenkreislauf eingebundene Rezirkulationsgebläse 15, ein Wasserstoffdosierventil 19, den in die Frischluftleitung 9 eingebundenen Verdichter 18, ein Frischluftdosierventil 8, ein Frischluftleitung-Bypassventil 7, ein Kathodenabgasventil 11, ein Anodenkreislauf-Bypassventil 6, ein Purgeventil 20 beziehungsweise Abscheider umfasst.The gas flows are controlled by a control unit 17th for switching actuators assigned to the lines that control the recirculation fan integrated into the anode circuit 15th , a hydrogen metering valve 19th in the fresh air line 9 integrated compressor 18th , a fresh air metering valve 8th , a fresh air line bypass valve 7th , a cathode exhaust valve 11 , an anode circuit bypass valve 6th , a purge valve 20th or separator includes.

Die Leitungen und Aktoren sind durch eine elektrisch leitfähige und durch eine Spannung beaufschlagbare Pilotlinie 5 miteinander verbunden, die an einen Signaleingang des Steuergeräts 17 angeschlossen ist. Die Pilotlinie 5 ist als Einzeldraht 22 ausgeführt, wobei der Einzeldraht 22 als Wicklung 21 in Umfangsrichtung um die Leitungen geführt ist, wie dies in der 3 dargestellt ist. Für den Bereich der Leitungen besteht auch die in 2 gezeigte Möglichkeit, dass die Pilotlinie 5 als die Leitung in Umfangsrichtung umgebendes Drahtnetz 23 gebildet ist.The lines and actuators are connected by an electrically conductive pilot line that can be acted upon by a voltage 5 connected to a signal input of the control unit 17th connected. The pilot line 5 is as a single wire 22nd executed, the single wire 22nd as a winding 21 is guided in the circumferential direction around the lines, as shown in the 3rd is shown. The in 2 shown possibility that the pilot line 5 than the wire mesh surrounding the line in the circumferential direction 23 is formed.

Mit dieser Pilotlinie 5 besteht die Möglichkeit zu kontrollieren, ob die überwachten Bauteile vorhanden und richtig verbaut sind und mechanisch in Ordnung sind. Dazu wird ein Verfahren genutzt, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Pilotlinie 5 durch das Steuergerät 17 überwacht und bei einer Störung die Aktoren verstellt werden, derart, dass ein sicherer Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erreicht wird, wozu bei einer Unterbrechung der Pilotlinie 5 mindestens ein Verfahrensschritt ausgeführt wird, der das Schließen des Wasserstoffdosierventils 19, eine Leistungssteigerung des Verdichters 18, das Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1, das Öffnen des Purgeventils 20, das Öffnen des Frischluftleitung-Bypassventil 7 bewirkt, um so eine Freisetzung einer erhöhten H2-Konzentration zu vermeiden.With this pilot line 5 it is possible to check whether the monitored components are present, correctly installed and mechanically in order. For this purpose, a process is used in which the electrical properties of the pilot line 5 through the control unit 17th monitored and, in the event of a fault, the actuators are adjusted in such a way that a safe operating state of the fuel cell device 1 is achieved, including if the pilot line is interrupted 5 at least one process step is carried out, which closes the hydrogen metering valve 19th , an increase in the performance of the compressor 18th , the shutdown of the fuel cell device 1 , opening the purge valve 20th , opening the fresh air line bypass valve 7th caused in order to avoid a release of an increased H 2 concentration.

Bei einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist das Sicherheitskonzept weiter entwickelt und das Sicherheitsniveau nochmals erhöht.In a motor vehicle with such a fuel cell device 1 the security concept has been further developed and the security level increased again.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzelleFuel cell
33
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44th
BefeuchterHumidifier
55
PilotliniePilot line
66th
Anodenkreislauf-BypassventilAnode circuit bypass valve
77th
Frischluftleitung-BypassventilFresh air line bypass valve
88th
FrischluftdosierventilFresh air metering valve
99
FrischluftleitungFresh air duct
1010
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
1111
KathodenabgasventilCathode exhaust valve
1212th
BrennstoffleitungFuel line
1313th
BrennstofftankFuel tank
1414th
RezirkulationsleitungRecirculation line
1515th
RezirkulationsgebläseRecirculation fan
1616
AnodenabgasleitungAnode exhaust line
1717th
SteuergerätControl unit
1818th
Verdichtercompressor
1919th
WasserstoffdosierventilHydrogen metering valve
2020th
Purgeventil / AbscheiderPurge valve / separator
2121
WicklungWinding
2222nd
EinzeldrahtSingle wire
2323
DrahtnetzWire mesh

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102011004355 A1 [0004]DE 102011004355 A1 [0004]
  • US 7240641 B2 [0004]US 7240641 B2 [0004]
  • WO 2017/184983 A1 [0004]WO 2017/184983 A1 [0004]

Claims (8)

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle (2) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (3), dessen Kathodenseite durch eine Frischluftleitung (9) mit Frischluft und dessen Anodenseite aus einem Brennstofftank (13) durch eine Brennstoffleitung (12) mit Brennstoff versorgbar ist, mit einer Kathodenabgasleitung (10) und einer Anodenabgasleitung (16), und mit einem Steuergerät (17) für das Schalten von den Leitungen zugeordneten Aktoren, wobei die Leitungen und Aktoren durch eine elektrisch leitfähige und durch eine Spannung beaufschlagbare Pilotlinie (5) miteinander verbunden sind, die an einen Signaleingang des Steuergeräts (17) angeschlossen ist.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3) having at least one fuel cell (2), the cathode side of which can be supplied with fresh air through a fresh air line (9) and the anode side of which can be supplied with fuel from a fuel tank (13) through a fuel line (12), with a Cathode exhaust line (10) and an anode exhaust line (16), and with a control unit (17) for switching actuators assigned to the lines, the lines and actuators being connected to one another by an electrically conductive pilot line (5) which can be acted upon by a voltage is connected to a signal input of the control unit (17). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren ausgewählt sind aus einer Gruppe, die ein in einem Anodenkreislauf eingebundenes Rezirkulationsgebläse (15), ein Wasserstoffdosierventil (19), einen in die Frischluftleitung (9) eingebundenen Verdichter (18), ein Frischluftdosierventil (8), ein Frischluftleitung-Bypassventil (7), ein Kathodenabgasventil (11), ein Anodenkreislauf-Bypassventil (6), ein Purgeventil (20) umfasst.Fuel cell device (1) according to Claim 1 , characterized in that the actuators are selected from a group that includes a recirculation fan (15) integrated in an anode circuit, a hydrogen metering valve (19), a compressor (18) integrated into the fresh air line (9), a fresh air metering valve (8) Fresh air line bypass valve (7), a cathode exhaust valve (11), an anode circuit bypass valve (6), a purge valve (20). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotlinie (5) als Einzeldraht (22) ausgeführt ist.Fuel cell device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the pilot line (5) is designed as a single wire (22). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzeldraht (22) als Wicklung (21) in Umfangsrichtung um die Leitungen geführt ist.Fuel cell device (1) according to Claim 3 , characterized in that the individual wire (22) is guided as a winding (21) in the circumferential direction around the lines. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotlinie (5) im Bereich der Leitungen als die Leitung in Umfangsrichtung umgebendes Drahtnetz (23) gebildet ist.Fuel cell device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the pilot line (5) is formed in the area of the lines as a wire mesh (23) surrounding the line in the circumferential direction. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Pilotlinie (5) durch das Steuergerät (17) überwacht und bei einer Störung die Aktoren verstellt werden, derart, dass ein sicherer Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung (1) erreicht wird.Method for operating a fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the electrical properties of the pilot line (5) are monitored by the control unit (17) and, in the event of a fault, the actuators are adjusted in such a way that a safe operating state of the fuel cell device (1) is achieved. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterbrechung der Pilotlinie (5) mindestens ein Verfahrensschritt ausgeführt wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die das Schließen des Wasserstoffdosierventils (19), eine Leistungssteigerung des Verdichters (18), das Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung (1), das Öffnen des Purgeventils (20), das Öffnen des Frischluftleitung-Bypassventil (7) umfasst.Procedure according to Claim 6 , characterized in that when the pilot line (5) is interrupted, at least one method step is carried out which is selected from a group that includes closing the hydrogen metering valve (19), increasing the output of the compressor (18), switching off the fuel cell device (1) , the opening of the purge valve (20), the opening of the fresh air line bypass valve (7) comprises. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 6th .
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