AT523992B1

AT523992B1 - Method for controlling the humidity of a PEM fuel cell system in a motor vehicle

Info

Publication number: AT523992B1
Application number: ATA50573/2020A
Authority: AT
Inventors: Aldrian Dipl Ing David
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-07-05
Filing date: 2020-07-05
Publication date: 2022-06-15
Also published as: AT523992A1; DE112021001549A5; WO2022006606A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM-Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathodenmassenstrom geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathodenmassenstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Minimallastbereich betrieben wird, wobei eine Zellspannung gemessen wird, wobei ein Kathodenmassenstrom erhöht wird, sobald eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem sowie die Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.The invention relates to a method for controlling moisture in a PEM fuel cell system, in particular a cathode section of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, with a cathode mass flow being controlled, characterized in that a cathode mass flow is reduced when the motor vehicle is operated in a minimum load range for a predetermined period of time is measured, a cell voltage being measured, with a cathode mass flow being increased as soon as a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage exceeds a predetermined limit value. The invention further relates to a PEM fuel cell system and the use of such a PEM fuel cell system.

Description

description

VERFAHREN ZUR REGELUNG EINER FEUCHTIGKEIT EINES PEM-BRENNSTOFFZELLENSYSTEM EINES KRAFTFAHRZEUGES METHOD OF CONTROLLING A HUMIDITY OF A PEM FUEL CELL SYSTEM OF AN AUTOMOTIVE VEHICLE

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM-Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathodenmassenstrom geregelt wird, wobei ein Kathodenmassenstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Minimallastbereich betrieben wird. The invention relates to a method for controlling humidity in a PEM fuel cell system, in particular a cathode section of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, with a cathode mass flow being controlled, with a cathode mass flow being reduced if the motor vehicle is in a minimum load range for a predetermined period of time is operated.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist. The invention further relates to a PEM fuel cell system which is designed to carry out such a method.

[0003] Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems. In addition, the invention relates to the use of such a PEM fuel cell system.

[0004] PEM-Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter ist es bekannt, dass in solchen Brennstoffzellensystemen die Feuchtigkeit eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle und Regelung derselben spielt. Dabei handelt es sich insbesondere darum, dass die empfindlichen Membranen zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite in einem Brennstoffzellenstapel eine definierte Feuchtigkeit nicht unterschreiten sollen. Gleichzeitig darf die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels jedoch auch einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, um ein unerwünscht hohes Maß an Kondenswasser im Brennstoffzellenstapel und somit ein Fluten desselben zu vermeiden. PEM fuel cell systems and their use in motor vehicles are known from the prior art. Furthermore, it is known that in such fuel cell systems, humidity plays an essential role in controlling and regulating the same. In particular, the sensitive membranes between the anode side and the cathode side in a fuel cell stack should not fall below a defined humidity level. At the same time, however, the moisture within the fuel cell stack must not exceed a specific maximum value in order to avoid an undesirably high level of condensation water in the fuel cell stack and thus flooding of the same.

[0005] Ist eine Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges mit dem Brennstoffzellensystem über eine längere Zeit zu niedrig, trocknen die Brennstoffzellen aus. Wenn ein Kraftfahrzeug über eine lange Zeitdauer in einem Minimallastbetrieb oder Leerlauf (d. h. mit nur 10 % bis 20 % einer möglichen Maximallast) betrieben wird, muss eine größere Menge an Luft zur Kathode geleitet werden, um die chemischen Reaktionen im Brennstoffzellenstapel noch sicherzustellen. Dies führt jedoch dazu, dass die Membranen der Brennstoffzellen austrocken bzw. eine Feuchtigkeit der Brennstoffzellen herabgesetzt wird. Ein solche Erhöhung des Luftmassenstroms ist allerdings notwendig, um Wassertropfen, welche bei der Reaktion im Brennstoffzellenstapel entstehen, aus einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels rauszubekommen, damit ein Fluten des Brennstoffzellenstapels vermieden wird. Um solche Wassertropfen aus der Kathode zu entfernen, ist ein gewisser Druckunterschied zwischen einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang notwendig, weshalb eine Kathodenstöchiometrie erhöht wird, wenn das Fahrzeug im Minimallastbereich betrieben wird. Eine Erhöhung der Kathodenstöchiometrie führt wie oben ausgeführt zu einer Reduzierung einer Zellfeuchte, was in weiterer Folge zu einer Degradation des Brennstoffzellenstapels führt. [0005] If the power requirement of the motor vehicle with the fuel cell system is too low over a long period of time, the fuel cells dry out. When a motor vehicle is operated at minimum load operation or idle (i.e. with only 10% to 20% of a possible maximum load) for a long period of time, a larger amount of air must be directed to the cathode in order to still ensure the chemical reactions in the fuel cell stack. However, this leads to the membranes of the fuel cells drying out or the moisture content of the fuel cells being reduced. However, such an increase in the air mass flow is necessary in order to get water droplets, which form during the reaction in the fuel cell stack, out of a cathode section of the fuel cell stack, so that flooding of the fuel cell stack is avoided. In order to remove such water droplets from the cathode, a certain pressure difference between a cathode inlet and a cathode outlet is necessary, therefore a cathode stoichiometry is increased when the vehicle is operated in the minimum load range. As explained above, an increase in the cathode stoichiometry leads to a reduction in cell moisture, which subsequently leads to degradation of the fuel cell stack.

[0006] Um dem entgegenzuwirken ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Kraftfahrzeug bei einem Betrieb desselben im Minimallastbereich in einen sogenannten Stand-By-Betrieb zu versetzten und eine Luftzuführung zur Kathode im Minimallastbetrieb zur Gänze zu stoppen, wenn eine Erhöhung eines Wassergehaltes in den Brennstoffzellen festgestellt wird, sodass chemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel unterbrochen werden und den dort vorhandenen Sauerstoff noch chemisch umgesetzt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zum Stoppen einer Luftzufuhr in der Regel eine Luftfördereinrichtung ausgeschalten werden muss, was sich wiederum auf die Lebensdauer der Luftfördereinrichtung auswirkt bzw. zumindest zeitintensiv ist. In order to counteract this, it is known from the prior art to put the motor vehicle into a so-called stand-by mode when it is operated in the minimum load range and to completely stop the air supply to the cathode in minimum load operation if there is an increase in water content is detected in the fuel cells, so that chemical reactions in the fuel cell stack are interrupted and the oxygen present there is still chemically converted. However, this has the disadvantage that an air conveying device generally has to be switched off in order to stop an air supply, which in turn affects the service life of the air conveying device or is at least time-consuming.

[0007] Derartige Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit in einem PEM-Brennstoffzellensystem sind beispielsweise aus der US 2017250415 A1, der US 2015171444 A1 und der EP 2483969 A1 bekannt. Such methods for controlling humidity in a PEM fuel cell system are known, for example, from US 2017250415 A1, US 2015171444 A1 and EP 2483969 A1.

[0008] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders effizientes Verfahren für eine Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges bei einem lang anhaltenden Minimallastbetrieb anzugeben, wobei insbesondere eine De-This is where the invention comes in. The object of the invention is to specify a particularly efficient method for controlling humidity in a PEM fuel cell system of a motor vehicle during long-lasting minimum load operation, with a particular

gradation einzelner Komponenten des Brennstoffzellensystems und/oder des Brennstoffzellenstapels zumindest herabgesetzt wird. gradation of individual components of the fuel cell system and/or the fuel cell stack is at least reduced.

[0009] Weiter ist es ein Ziel ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist. [0009] Another goal is to specify a PEM fuel cell system which is designed to carry out such a method.

[0010] Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben. Another aim is to specify a use of such a fuel cell system.

[0011] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Zellspannung gemessen wird, wobei ein Kathodenmassenstrom erhöht wird, sobald eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. The object is achieved in that a cell voltage is measured in a method of the type mentioned, with a cathode mass flow being increased as soon as a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage exceeds a predetermined limit value.

[0012] Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass keine vollständige Unterbrechung der Luftzufuhr zur Kathode notwendig und/oder vorgesehen ist. An advantage achieved in this way can be seen in particular in the fact that no complete interruption of the air supply to the cathode is necessary and/or provided.

[0013] Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich insbesondere ein Kathodenabschnitt des PEM-Brennstoffzellensystems geregelt. Im Kathodenabschnitt wird Luft zu einer Kathode des Brennstoffzellenstapels geführt, wo diese mit Brennstoff, welcher im Anodenabschnitt geführt wird, chemisch reagiert. Als Brennstoff wird im PEM-Brennstoffzellensystem gasförmiger Wasserstoff verwendet. Auch Leitungen und Elemente stromabwärts des Brennstoffzellenstapels können zum Kathodenabschnitt bzw. zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems gehören. Als Kathodenmassenstrom wird in der Regel die Masse an Luft, welche sich pro Zeiteinheit zum Kathodenabschnitt bewegt, verstanden. Zur Förderung der Luft zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere eine Luftfördereinrichtung wie ein Kompressor und/oder eine Turbine vorgesehen, wobei alternativ auch ein Gebläse angeordnet sein kann. Die Luftfördereinrichtung ist insbesondere stromaufwärts eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Zur Reduzierung des Kathodenmassenstroms werden dann insbesondere Einstellungen des Kompressors und/oder der Turbine bzw. des Gebläses geändert, insbesondere deren Geschwindigkeit. Diese Anderungen werden insbesondere von einer Steuereinrichtung, welche im Kraftfahrzeug angeordnet ist, vorgegeben. [0013] The method according to the invention consequently regulates in particular a cathode section of the PEM fuel cell system. In the cathode section, air is routed to a cathode of the fuel cell stack where it chemically reacts with fuel routed in the anode section. Gaseous hydrogen is used as fuel in the PEM fuel cell system. Lines and elements downstream of the fuel cell stack can also belong to the cathode section or to the anode section of the fuel cell system. The cathode mass flow is generally understood to mean the mass of air which moves to the cathode section per unit of time. In order to convey the air to the cathode section of the fuel cell stack, in particular an air conveying device such as a compressor and/or a turbine is provided, with a fan also being able to be arranged as an alternative. The air conveying device is arranged in particular upstream of a fuel cell stack. In order to reduce the cathode mass flow, the settings of the compressor and/or the turbine or the blower, in particular, are then changed, in particular their speed. These changes are specified in particular by a control device which is arranged in the motor vehicle.

[0014] Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass bei einem etwa 11 Minuten andauernden Betrieb im Minimallastbetrieb zwischen 10 % und 20 % einer Maximallast eine Systemleistung bei konstantem Strom um bis zu 540 Watt oder 6 % sinkt. In the context of the invention, it was found that in an approximately 11-minute operation in minimum load operation between 10% and 20% of a maximum load, a system performance at a constant current drops by up to 540 watts or 6%.

[0015] Unter einem Minimallastbereich wird im Rahmen der Erfindung eine Verwendung zwischen 0 % und 20 % einer verfügbaren Maximallast verstanden. Das heißt, es wird viel weniger Strom von der Brennstoffzelle gezogen, als möglich wäre. Um eine relative Feuchte der Brennstoffzellen nicht absinken zu lassen, wird im Rahmen der Erfindung auf eine Erhöhung einer Kathodenstöchiometrie verzichtet. Eine Kathodenstöchiometrie ändertet sich bei konstantem Strom proportional zur Anderung eines Kathodenmassenstroms. In the context of the invention, a minimum load range is understood to mean a use between 0% and 20% of an available maximum load. This means much less current is drawn from the fuel cell than would be possible. In order not to allow the relative humidity of the fuel cells to drop, an increase in cathode stoichiometry is dispensed with within the scope of the invention. At constant current, a cathode stoichiometry changes in proportion to the change in a cathode mass flow.

[0016] Es ist von Vorteil, wenn eine Zellspannung gemessen wird. Hierfür wird insbesondere ein CVM-Verfahren verwendet (Cell Voltage Monitoring), wofür bevorzugt jede einzelne Zelle mit einem Sensor zur Ermittlung einer Zellspannung verbunden wird. Es kann allerdings auch von Vorteil sein, wenn nicht die Spannung jeder einzelnen Zelle, sondern Zellen paarweise vermessen oder beispielsweise eine Spannung von vier oder fünf Zellen gemeinsam ermittelt wird. Wird die Spannung von mehr als einer Zelle gemeinsam gemessen, wird anschließend die Differenz davon gebildet. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein DC/DC-Wandler angeordnet, welcher Spannungswerte ausgibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine Zellspannung über THDA zu ermitteln. It is advantageous if a cell voltage is measured. In particular, a CVM method (Cell Voltage Monitoring) is used for this, for which purpose each individual cell is preferably connected to a sensor for determining a cell voltage. However, it can also be advantageous if cells are measured in pairs rather than the voltage of each individual cell, or if, for example, a voltage of four or five cells is determined together. If the voltage of more than one cell is measured together, the difference is then calculated. In particular, a DC/DC converter, which outputs voltage values, is arranged downstream of the fuel cell stack. In principle, it is also possible to determine a cell voltage via THDA.

[0017] Erfindungsgemäß wird eine Zellspannung insbesondere kontinuierlich über eine Zeit mitgemessen. Ändert sich diese Zellspannung innerhalb einer kurzen Zeit oft und ein Unterschied bzw. eine Differenz zwischen einer Maximalspannung und Minimalspannung ist größer als ein vorgegebener Wert, beispielsweise 10 mV, wird insbesondere eine Spülung der Kathodenseite mit Luft durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass According to the invention, a cell voltage is also measured, in particular continuously, over time. If this cell voltage changes frequently within a short time and a difference or difference between a maximum voltage and minimum voltage is greater than a predetermined value, for example 10 mV, the cathode side is flushed with air in particular. In the context of the invention, it was surprisingly found that

der Unterschied zwischen einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder zwischen einem Mittelwert einer Spannung und einer Minimalspannung (oder generell eine Varianz) ein guter Indikator dafür ist, ob ein Brennstoffzellenstapel geflutet wird, sprich ob zuviel Wasser im Brennstoffzellenstapel ist. the difference between a maximum voltage and a minimum voltage or between a mean value of a voltage and a minimum voltage (or generally a variance) is a good indicator of whether a fuel cell stack is flooded, i.e. whether there is too much water in the fuel cell stack.

[0018] Dabei wird ein Kathodenmassenstrom erhöht, sobald die Zellspannung, insbesondere eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Eine Erhöhung des Kathodenmassenstroms hat wieder eine Erhöhung der Kathodenstöchiometrie zur Folge und wird insbesondere durch Anderungen an der Luftfördereinrichtung erreicht. Bevorzugt wird hierfür ein Kompresser kurz, beispielsweise für etwa eine Sekunde hochgefahren, sodass mehr Luft durch den Kathodenabschnitt gefördert wird. Dadurch wird Wasser aus der Kathode gespült. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Kompressor mehrmals hintereinander kurz beschleunigt wird. Durch das Spülen der Kathode wird das Wasser, welches sich dort angesammelt hat bzw. die Kathode flutet, aus der Kathode entfernt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, den Kathodenmassenstrom zu erhöhen, wenn eine vorgegebene Zeitdauer im Minimallastbereich überschritten ist. Das Hochfahren des Kompressors wird beendet, wenn entweder die Zeit (beispielsweise 1 Sekunde) überschritten ist oder bevorzugt, wenn der Unterschied zwischen der Maximalspannung und der Minimalspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet. Eine weitere Möglichkeit ist es, das Stack Bypass-Ventil zu öffnen, um insbesondere den Kathodenmassenstrom zu erhöhen und bei einer Erhöhung des Massenstroms wieder zu schließen. [0018] In this case, a cathode mass flow is increased as soon as the cell voltage, in particular a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage, exceeds a predetermined limit value. An increase in the cathode mass flow again results in an increase in the cathode stoichiometry and is achieved in particular by changes to the air conveying device. For this purpose, a compressor is preferably started up briefly, for example for about one second, so that more air is conveyed through the cathode section. This flushes water out of the cathode. In principle, it can also be provided that the compressor is briefly accelerated several times in succession. By rinsing the cathode, the water that has accumulated there or that is flooding the cathode is removed from the cathode. Alternatively or additionally, it is also possible to increase the cathode mass flow if a predetermined period of time in the minimum load range has been exceeded. The compressor is started up when either the time (for example 1 second) has been exceeded or, preferably, when the difference between the maximum voltage and the minimum voltage falls below the specified limit value again. Another option is to open the stack bypass valve, in particular to increase the cathode mass flow, and to close it again when the mass flow increases.

[0019] Vorteilhaft ist es dabei weiter, wenn der vorgegebene Grenzwert vorab an einem Prüfstand ermittelt wird. Der Zusammenhang zwischen der Zellspannung, insbesondere zwischen einer großen Differenz einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder eines Mittelwertes und einer Minimalspannung und einem Fluten des Brennstoffzellenstapels wurden am Prüfstand festgestellt. Wird die Kathode aufgrund einer Zeitvorgabe gespült, wird auch dieser Zeitwert vorab am Prüfstand ermittelt. [0019] It is also advantageous if the predetermined limit value is determined in advance on a test stand. The connection between the cell voltage, in particular between a large difference between a maximum voltage and a minimum voltage or an average value and a minimum voltage and flooding of the fuel cell stack was determined on the test bench. If the cathode is flushed due to a time specification, this time value is also determined in advance on the test bench.

[0020] Wenngleich es günstig sein kann, das Spülen zu beenden, wenn eine vorgegebene Zeitspanne erreicht ist, ist es von Vorteil, wenn die Erhöhung des Kathodenmassenstroms beendet wird, sobald der Unterschied zwischen der Maximalspannung und der Minimalspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet. Das Spülen der Kathode durch Luft wird dann beendet, da das Wasser wieder aus der Kathode entfernt wurde und eine gewünschte Feuchtigkeit wieder hergestellt ist. Vorteilhaft ist es, wenn das gesamte Kraftfahrzeug oder zumindest das Brennstoffzellensystem vorab an einem Prüfstand kalibriert wird. Dies ist insbesondere günstig, um Erfahrungswerte zu erhalten. Although it may be beneficial to end the flushing when a predetermined period of time is reached, it is advantageous if the increase in the cathode mass flow is terminated as soon as the difference between the maximum voltage and the minimum voltage falls below the predetermined limit value again. The air purge of the cathode is then terminated since the water has been removed from the cathode and a desired humidity is restored. It is advantageous if the entire motor vehicle or at least the fuel cell system is calibrated in advance on a test stand. This is particularly favorable in order to obtain empirical values.

[0021] Es ist zweckmäßig, wenn ein Druck an einem Kathodeneingang und ein Druck an einem Kathodenausgang bestimmt und eine Druckdifferenz berechnet wird. Hierfür ist insbesondere stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels ein Drucksensor angeordnet. Wenngleich auch stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ein Drucksensor vorgesehen sein kann, wird an dieser Stelle bevorzugt ein Massenstrom gemessen, woraus ein Druck bestimmt wird. Um einen Kathodenmassenstrom zu erhöhen und/oder zu erniedrigen ist eine vorbestimmte Druckdifferenz zwischen einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang notwendig. It is expedient if a pressure at a cathode inlet and a pressure at a cathode outlet are determined and a pressure difference is calculated. For this purpose, a pressure sensor is arranged in particular upstream of the fuel cell stack. Although a pressure sensor can also be provided downstream of the fuel cell stack, a mass flow is preferably measured at this point, from which a pressure is determined. In order to increase and/or decrease a cathode mass flow, a predetermined pressure difference between a cathode inlet and a cathode outlet is necessary.

[0022] Von Vorteil ist es, wenn während dem Minimallastbetrieb stets Luft zu einer Kathode geleitet wird. Das heißt, die Luftzufuhr wird nicht gestoppt, es wird nur der Massenstrom reduziert. Eine Abschaltung der Luftfördereinrichtung ist nicht notwendig und ein sogenannter Stand-Byoder Stopp-Betrieb des Fahrzeuges ist nicht vorgesehen. It is advantageous if air is always directed to a cathode during minimum load operation. This means that the air supply is not stopped, only the mass flow is reduced. It is not necessary to switch off the air conveying device and there is no provision for so-called stand-by or stop operation of the vehicle.

[0023] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt mit einer Luftfördereinrichtung umfasst. The further goal is achieved when the PEM fuel cell system of the type mentioned comprises at least one fuel cell stack, an anode section and a cathode section with an air conveying device.

[0024] Damit ergeben sich die gleichen Vorteile, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich beschrieben worden sind. Alle diesbezüglichen Merkmale, Vorteile und Wirkungen gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemä-This results in the same advantages that have been described in detail in connection with the method according to the invention. All relevant features, advantages and effects naturally also apply in connection with the inventive

ßen PEM-Brennstoffzellensystem. Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren 100 einzelnen Brennstoffzellen umfassend einen Kathoden- und einen Anodenabschnitt auf. Weiter ist vorteilhaft ein Anodenzuführabschnitt zum Einbringen von Anodenzuführgas (Wasserstoff) in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und ein Kathodenzuführabschnitt zum Einbringen von Kathodenzuführgas (Luft) in den Kathodenabschnitt vorgesehen. Die Luftfördereinrichtung ist insbesondere als Kompressor ausgebildet. Verbrauchtes Anodenabgas wird bevorzugt über einen Anodenabführabschnitt abgeführt und läuft durch einen Wasserabscheider. Neben einer Abfuhr über ein sogenanntes Purgeventil an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann auch eine Rezirkulation des Anodenabgases über eine passive Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise in Form einer Ejektorvorrichtung, erfolgen. Der Wasserabscheider kann auch im Rezirkulationsabschnitt oder im Anodenzuführabschnitt stromabwärts der der Ejektorvorrichtung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompresser zur Förderung von Kathodengas (Luft) vorgesehen. ssen PEM fuel cell system. The PEM fuel cell system according to the invention has at least one fuel cell stack with several hundred individual fuel cells, comprising a cathode section and an anode section. Furthermore, an anode feed section for introducing anode feed gas (hydrogen) into the anode section of the fuel cell stack and a cathode feed section for introducing cathode feed gas (air) into the cathode section are advantageously provided. The air conveying device is designed in particular as a compressor. Spent anode off-gas is preferably discharged via an anode discharge section and runs through a water separator. In addition to discharge via a so-called purge valve to the environment and/or into the cathode discharge section, the anode waste gas can also be recirculated via a passive recirculation device, for example in the form of an ejector device. The water separator can also be arranged in the recirculation section or in the anode feed section downstream of the ejector device. A compressor for conveying cathode gas (air) is also advantageously provided.

[0025] Eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann dabei ein PKW sein, vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Kraftfahrzeug ein LKW, Bus oder dergleichen ist. Such a PEM fuel cell system is advantageously used in a motor vehicle. The motor vehicle can be a car, but it is advantageous if the motor vehicle is a truck, bus or the like.

[0026] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description in which an exemplary embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing. It shows schematically:

[0027] Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 shows a schematic representation of the method according to the invention;

[0028] Fig. 2 ein schematischer Vergleich zwischen einem Effekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dem Stand der Technik; 2 shows a schematic comparison between an effect of a method according to the invention and the prior art;

[0029] Fig. 3 ein schematischer Vergleich zwischen einem weiteren Effekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dem Stand der Technik. 3 shows a schematic comparison between a further effect of a method according to the invention and the prior art.

[0030] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im oberen Bereich der Figur ist ein Zellstrom über die Zeit aufgetragen, in der Mitte der Verlauf einer Kathodenstöchiometrie und im unteren Bereich ein Verlauf einer Spannungsdifferenz über die Zeit. Es ist ein Diagramm eines Betriebs eines Fahrzeuges mit einem PEM-Brennstoffzellensystem in einem Minimallastbetrieb dargestellt. Es ist ersichtlich, dass eine Zellspannung im Minimallastbereich solang stetig abnimmt, bis eine Kathodenstöchiometrie erhöht wird. Durch die Abnahme der Zellspannung wird eine benötigte Luftmenge erhöht, was in weiterer Folge zu einer Austrocknung der Zellen führt. Die Abnahme einer Zellspannung führt also zu einer Erhöhung der Kathodenstöchiometrie. Erfindungsgemäß wird in einem solchen lang andauerndernden Minimallastbereich die Kathodenstöchiometrie auf ein Minimalniveau reduziert, um eine Austrocknung der Zellen zu verhindern. Nun können Wassertropfen allerdings nicht mehr aus den Zellen gefördert werden und es droht eine Flutung des Brennstoffzellenstapels. Um diese vorzeitig erkennen zu können, wird eine Zellspannung überwacht. Es wurde festgestellt, dass die Differenz zwischen einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder zwischen einem Mittelwert einer Spannung und einer Minimalspannung (oder generell eine Varianz) ein guter Indikator dafür ist, ob ein Brennstoffzellenstapel geflutet wird, sprich ob zuviel Wasser im Brennstoffzellenstapel ist. Es werden also Spannungswerte als Referenz für eine Feuchte bzw. Nässe im Kathodenabschnitt verwendet. Sobald die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Wert überschreiten wird für eine kurze Zeit im Bereich von einer oder mehreren Sekunden eine Kathodenstöchiometrie derart verändert, dass ein Luftmassenstrom erhöht wird, wodurch Wassertropfen aus der Kathode entfernt werden. Die ist im rechten Teil der Fig. 1 ersichtlich. Der Brennstoffzellenstapelstrom bleibt dabei im Wesentlichen konstant. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention. In the upper area of the figure, a cell current is plotted over time, in the middle the curve of a cathode stoichiometry and in the lower area a curve of a voltage difference over time. A diagram of an operation of a vehicle with a PEM fuel cell system in a minimum load operation is shown. It can be seen that a cell voltage in the minimum load range steadily decreases until a cathode stoichiometry is increased. The decrease in cell voltage increases the amount of air required, which subsequently leads to the cells drying out. The decrease in cell voltage therefore leads to an increase in cathode stoichiometry. According to the invention, the cathode stoichiometry is reduced to a minimum level in such a long-lasting minimum load range in order to prevent the cells from drying out. Now, however, water droplets can no longer be pumped out of the cells and there is a risk of the fuel cell stack being flooded. In order to be able to recognize this early, a cell voltage is monitored. It has been found that the difference between a maximum voltage and a minimum voltage or between a mean value of a voltage and a minimum voltage (or generally a variance) is a good indicator of whether a fuel cell stack is flooded, i.e. whether there is too much water in the fuel cell stack. Voltage values are therefore used as a reference for humidity or wetness in the cathode section. As soon as the voltage difference exceeds a predetermined value, a cathode stoichiometry is changed for a short time in the range of one or more seconds in such a way that an air mass flow is increased, as a result of which water droplets are removed from the cathode. This can be seen in the right part of FIG. The fuel cell stack current remains essentially constant.

[0031] In Fig. 2 und 3 ist jeweils ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielter Vorteil gezeigt. In Fig. 2 ist im linken Teil eine Entwicklung einer relativen Feuchte bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und auf der rechten Seite die Entwicklung von relativer Feuchte beim erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Es ist ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte die relative Feuchte im Brennstoffzellenstapel über eine lange Zeitdauer 2 and 3 each show an advantage achieved by the method according to the invention. In FIG. 2, the development of a relative humidity in the case of methods known from the prior art is shown on the left-hand side, and the development of relative humidity in the case of the method according to the invention is shown on the right-hand side. It can be seen that the relative humidity in the fuel cell stack over a long period of time due to the method steps according to the invention

im Wesentlichen konstant bleibt. Fig. 3 zeigt wieder auf der linken Seite eine Entwicklung einer Systemausgangsleistung aus dem Stand der Technik und rechts eine im erfindungsgemäßen Verfahren. Es ist ersichtlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Systemausgangsleistung um bis zu 6 % erhöht wird. remains essentially constant. 3 again shows a development of a system output power from the prior art on the left and one in the method according to the invention on the right. It can be seen that the system output power is increased by up to 6% as a result of the method according to the invention.

[0032] Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden zusammenfassend folgende Vorteile erreicht: In summary, the following advantages are achieved by the method according to the invention:

* Erhöhung einer relativen Feuchte um bis zu 10 % oder mehr; * Erhöhung einer Systemausgangsleistung im Minimallastbetrieb um bis zu 6 % oder mehr; * Weniger Austrocknung der Zellen. * increase relative humidity by up to 10% or more; * Increase a system output power in minimum load operation by up to 6% or more; * Less dehydration of the cells.

Claims

patent claims

1. Method for controlling humidity of a PEM fuel cell system, in particular a cathode section of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, wherein a cathode mass flow is controlled, wherein a cathode mass flow is reduced when the motor vehicle is operated in a minimum load range for a predetermined period of time, characterized in that that a cell voltage is measured, with a cathode mass flow being increased as soon as a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage exceeds a predetermined limit value.

2. The method according to claim 1, characterized in that the predetermined limit value is determined in advance on a test bench.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the increase in the cathode mass flow is terminated as soon as the difference between the maximum voltage and the minimum voltage falls below the predetermined limit value again.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a pressure at a cathode inlet and a pressure at a cathode outlet is determined and a pressure difference is calculated.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that air is always directed to a cathode during the minimum load operation.

6. PEM fuel cell system, which is designed to carry out a method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the PEM fuel cell system comprises at least one fuel cell stack, an anode section and a cathode section with an air conveying device.

7. Use of a PEM fuel cell system according to claim 6 in a motor vehicle.

3 sheets of drawings