DE10110352A1 - Operation and control of fuel cell system, deliberately increases power losses to warm cell quickly during start-up - Google Patents

Operation and control of fuel cell system, deliberately increases power losses to warm cell quickly during start-up

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Abstract

At intervals, and especially during fuel cell warm-up, the electrical operating point is adjusted to increase power losses. Current density (S) in this mode, is intentionally increased above that at optimal- or maximum power density (S1, S3). The power loss (W) is used to heat the fuel cell to the desired operating temperature. On achieving it, current density is reduced. An Independent claim is included for the corresponding control system with processor and program, the memory device for the program and the correspondingly-controlled fuel cell system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für Brennstoffzellen, bei dem unterschiedliche Reaktionsstoffe einer Brennstoffzelle zugeführt werden um Energie zu erzeugen, eine Steuereinrichtung für Brennstoffzellen, eine Speichereinrichtung für Steuerungsprogramme, sowie ein Brennstoffzellensystem.The present invention relates to an operating method for fuel cells, in which Different reactants are fed to a fuel cell to add energy generate, a control device for fuel cells, a storage device for Control programs, as well as a fuel cell system.

Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung von Energie und haben in den fetzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie Brennstoffzellen als Energieerzeuger zum umweltschonenden Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt. Aber auch in anderen Bereichen der Technik sind Brennstoffzellen anwendbar, insbesondere um elektrischen Strom für einen Elektromotor zu liefern.Fuel cells are used to generate energy and have in the late years increasingly important. For example, in the automotive industry Fuel cells as energy generators for the environmentally friendly drive of vehicles used. But fuel cells are also used in other areas of technology applicable, in particular to supply electrical current for an electric motor.

In einer Brennstoffzelle wird elektrische Energie auf chemischem Wege erzeugt, wobei einzelne Reaktanten bzw. Reaktionsstoffe kontinuierlich zugeführt und das Reaktionsprodukt kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt der Brennstoffzelle das Funktionsprinzip zugrunde, dass sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozess bezeichnet. Die Oxidations- und Reduktionsprozesse werden räumlich getrennt, was beispielsweise über eine Membran erfolgt. Durch die Membran werden Protonen ausgetauscht, während Gase zurückgehalten werden. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.In a fuel cell, electrical energy is generated chemically, whereby individual reactants or reactants fed continuously and that Reaction product are continuously removed. This is the fuel cell Working principle that electrically neutral molecules or atoms connect with each other and exchange electrons. This process is called Redox process called. The oxidation and reduction processes become spatial separated, which is done for example via a membrane. Be through the membrane Protons exchanged while gases are retained. The one with the reduction emitted electrons can be consumed as electrical current by a consumer conduct, for example, the electric motor of an automobile.

Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Es können aber auch Brennstoffe wie beispielsweise Erdgas, Methanol oder dergleichen zum Betrieb von Brennstoffzellen verwendet werden. Derartige Brennstoffe sind leicht verfügbar und gut zu speichern. Allerdings müssen die jeweiligen Kohlenwasserstoffe zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt werden.As gaseous reactants for the fuel cell, for example Hydrogen is used as fuel and oxygen as oxidant. It can but also fuels such as natural gas, methanol or the like for  Operation of fuel cells can be used. Such fuels are light available and good to store. However, the respective hydrocarbons first be converted into a hydrogen-rich gas.

Idealerweise werden die Brennstoffzellen in einem engen Temperaturbereich betrieben. Beispielsweise liegt dieser ideale Temperaturbereich im Falle von Brennstoffzellen mit einer protonenleitenden Polymermembran, sogenannten PEM- Brennstoffzellen, etwa zwischen 60°C und 90°C. Die PEM-Brennstoffzellen werden bevorzugt in mobilen Anwendungen, beispielsweise in Fahrzeugen oder dergleichen eingesetzt.Ideally, the fuel cells are in a narrow temperature range operated. For example, this ideal temperature range is in the case of Fuel cells with a proton-conducting polymer membrane, so-called PEM Fuel cells, approximately between 60 ° C and 90 ° C. The PEM fuel cells are preferably in mobile applications, for example in vehicles or the like used.

Oftmals besteht das Problem, dass der ideale Temperaturbereich noch nicht erreicht ist bzw. die Temperatur der Brennstoffzelle unterhalb der idealen Betriebstemperatur liegt. Dies kann insbesondere zu Betriebsbeginn bzw. in einer Startphase der Fall sein. Zur Lösung dieses Problems wurde bisher vorgeschlagen, die Brennstoffzelle durch eine Flüssigkeit zu erwärmen. Dies erfordert jedoch einen nicht zu vernachlässigenden konstruktiven Aufwand, da die Flüssigkeit, welche die Wärme transportiert, an die entsprechenden Stellen zur Aufnahme der Wärme und zur Abgabe der Wärme geführt werden muss. Weiterhin ist gerade in der Anfangsphase des Betriebs eine gewisse Zeitspanne notwendig, um die Brennstoffzelle auf die erforderliche Betriebstemperatur zu bringen.There is often the problem that the ideal temperature range has not yet been reached or the temperature of the fuel cell is below the ideal operating temperature lies. This can be the case in particular at the start of operation or in a start-up phase. To solve this problem, it has been proposed to use the fuel cell to heat a liquid. However, this requires a not negligible one constructive effort, since the liquid that transports the heat to the appropriate places to absorb the heat and to give off the heat must become. Furthermore, there is a certain one in the initial phase of operation Time required to get the fuel cell to the required operating temperature bring to.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für Brennstoffzellen anzugeben und ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem die ideale Betriebstemperatur für die jeweiligen Brennstoffzellen schnell erreicht wird, wobei kein großer konstruktiver Aufwand für die Durchführung des Verfahrens erforderlich sein soll. Weiterhin soll eine Steuereinrichtung für Brennstoffzellen geschaffen werden, mit der das erfindungsgemäße Betriebsverfahren durchführbar ist.It is therefore the object of the present invention to provide an operating method for Specify fuel cells and create a fuel cell system in which the ideal operating temperature for the respective fuel cells is reached quickly, not a great deal of constructive effort for carrying out the method should be required. Furthermore, a control device for fuel cells be created with which the operating method according to the invention can be carried out.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Betriebsverfahren für Brennstoffzellen gemäß Patentanspruch 1, die Steuereinrichtung für Brennstoffzellen gemäß Patentanspruch 11, die Speichereinrichtung für Steuerungsprogramme gemäß Patentanspruch 12 und das Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.This problem is solved by the operating method for fuel cells according to Claim 1, the control device for fuel cells according to claim 11, the storage device for control programs according to claim 12 and the fuel cell system according to claim 13. Further advantageous features,  Aspects and details of the invention emerge from the dependent claims Description and the figures.

Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für Brennstoffzellen, werden zwei Reaktionsmittel bzw. -stoffe, insbesondere ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel, einer Brennstoffzelle zugeführt um elektrische Energie zu erzeugen, wobei zumindest zeitweise, insbesondere in der Phase eines Kaltstarts oder bei einem nach einer teilweisen Abkühlung der Brennstoffzelle erfolgenden Start, der elektrische Betriebspunkt der Brennstoffzelle zum Erzeugen einer erhöhten Verlustleistung so eingestellt wird, dass die Stromdichte größer ist als die Stromdichte bei optimaler oder maximaler Leistungsdichte, wobei die Verlustleistung in Form von Wärme zum Heizen der Brennstoffzelle auf eine gewünschte Betriebstemperatur genutzt wird und die Stromdichte nach Erreichen dieser Betriebstemperatur wieder reduziert wird. Der Kern der vorliegenden Erfindung ist in der gezielten Ausnutzung der Widerstandserwärmung infolge des elektrischen Innenwiderstands der Brennstoffzelle zu sehen.In the operating method for fuel cells according to the invention, two Reaction agents or substances, in particular a fuel and an oxidizing agent, fed to a fuel cell to generate electrical energy, at least at times, especially in the phase of a cold start or after a partial cooling of the fuel cell taking place, the electrical Operating point of the fuel cell to generate an increased power loss is set that the current density is greater than the current density at optimal or maximum power density, the power loss in the form of heat for heating the fuel cell is used to a desired operating temperature and the Current density is reduced again after reaching this operating temperature. The core of the present invention is in the targeted exploitation of resistance heating due to the internal electrical resistance of the fuel cell.

Dadurch wird die Brennstoffzelle sehr schnell auf die erforderliche Temperatur bzw. auf den erforderlichen Temperaturbereich gebracht. Es ist dabei nicht notwendig, größere konstruktive Maßnahmen oder Einbauten vorzunehmen, um das Verfahren durchführen zu können. Insbesondere wird die Brennstoffzelle bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren gezwungen, einen großen Strom zu liefern. Dazu benötigt sie relativ viel Brennstoff. Da jedoch keine elektrische Leistung oder kaum elektrische Leistung nach außen abgegeben wird, wird die elektrische Energie aufgrund des Innenwiderstands der Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle selbst in Wärme umgewandelt und führt somit unmittelbar zu einer Erwärmung der Brennstoffzelle.As a result, the fuel cell very quickly reaches the required temperature or brought the required temperature range. It is not necessary to have larger ones constructive measures or installations to carry out the procedure to be able to perform. In particular, the fuel cell in the operating methods according to the invention forced to deliver a large current. This requires a relatively large amount of fuel. However, since no electrical power or hardly any electrical power is released to the outside, the electrical energy due to the internal resistance of the fuel cell in the fuel cell itself Converted heat and thus leads to a warming of the Fuel cell.

Bevorzugt wird die Brennstoffzelle zeitweilig mit einem sehr geringen äußeren elektrischen Widerstand (elektr. Verbraucher) belastet. Der möglichst klein gehaltene elektrische Widerstand ist z. B. kleiner als der elektrische Widerstand bei maximaler Leistungsdichte, wobei der elektrische Widerstand bevorzugt gegen Null geht. Es wird also zeitweilig ein kurzschlußähnlicher Zustand erzeugt. Durch den sehr kleinen äußeren elektrischen Widerstand wird ein sehr großer elektrischer Strom geliefert. Der Strom bewirkt in der Brennstoffzelle eine Wärmeerzeugung. The fuel cell is preferably temporarily with a very small outer electrical resistance (electrical consumer) loaded. The smallest possible electrical resistance is e.g. B. less than the electrical resistance at maximum Power density, with the electrical resistance preferably going to zero. It will temporarily generated a short-circuit-like state. Because of the very small one A very large electrical current is supplied to external electrical resistance. The Electricity generates heat in the fuel cell.  

Vorteilhafterweise wird die Brennstoffzelle mit einem elektrischen Widerstand belastet, der so klein gehalten ist, dass die Stromdichte maximiert und resultierend aus großer Stromdichte die Klemmenspannung minimiert wird. Dadurch wird die Brennstoffzelle dazu gezwungen, einen relativ großen Strom zu liefern. Durch das Maximieren der Stromdichte bzw. das Minimieren der Klemmenspannung an der Brennstoffzelle wird die Verlustleistung in der Brennstoffzelle, die der Heizleistung entspricht maximiert d. h. die Brennstoffzelle wird in besonders kurzer Zeit auf die ideale bzw. notwendige Betriebstemperatur gebracht.The fuel cell is advantageously loaded with an electrical resistance, which is kept so small that the current density is maximized and resulting from large Current density the terminal voltage is minimized. This will make the fuel cell forced to deliver a relatively large current. By maximizing the Current density or minimizing the terminal voltage on the fuel cell the power loss in the fuel cell, which corresponds to the heating power, is maximized d. H. the fuel cell will be ideal or necessary in a very short time Brought operating temperature.

Insbesondere kann der elektrische Widerstand beim Betrieb der Brennstoffzelle variiert werden, um die Verlustleistung zum Heizen der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle gezielt einzustellen. Dadurch ist es möglich, die erforderliche Wärme bzw. Heizleistung an die momentanen Anforderungen anzupassen. Somit kann eine je nach den gegebenen Umständen oder Umweltbedingungen optimale Erwärmung erreicht werden.In particular, the electrical resistance can vary during operation of the fuel cell to the power loss for heating the fuel cell depending on the Target temperature of the fuel cell. This makes it possible to required heat or heat output to the current requirements adapt. Thus, depending on the circumstances or Environmental conditions optimal warming can be achieved.

Es ist insbesondere auch möglich, dass die Brennstoffzelle bevorzugt während einer Startphase elektrisch kurzgeschlossen wird, um sie zu heizen. Durch das Kurzschließen wird ein besonders großer elektrischer Strom bzw. Verluststrom erzeugt und zum Heizen verwendet. Dies ist insbesondere während der Start- bzw. Anfangsphase des Betriebs der Brennstoffzelle vorteilhaft, da hier die größte Heizleistung notwendig ist, um die Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur zu erwärmen.In particular, it is also possible for the fuel cell to be preferred during a Start phase is electrically short-circuited to heat it. By the Short-circuiting produces a particularly large electrical current or leakage current and used for heating. This is particularly important during the start or Initial phase of operation of the fuel cell advantageous, since this is the largest Heating power is necessary to get the fuel cell to operating temperature heat.

Vorteilhafterweise wird die Temperatur der Brennstoffzelle gemessen und insbesondere das Messergebnis zur Steuerung und/oder Regelung der Verlustleistung zum Heizen der Brennstoffzelle verwendet. Der Temperatursensor misst die Temperatur an oder nahe der Membran. Dabei liegt die Überlegung zugrunde, dass an dieser Stelle die Wärme entsteht und die Betriebstemperatur an der Membran entscheidend für den Betrieb ist.The temperature of the fuel cell is advantageously measured and in particular the measurement result for controlling and / or regulating the power loss used to heat the fuel cell. The temperature sensor measures that Temperature at or near the membrane. It is based on the consideration that at this point the heat is generated and the operating temperature at the membrane is crucial for the operation.

Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Temperatur der Brennstoffzellen-Membran kann z. B. auch die Temperatur einer Kühlflüssigkeit im Kühlsystem der Brennstoffzelle gemessen werden, um beispielsweise die Verlustleistung gezielt einzustellen. Alternatively or in addition to measuring the temperature of the fuel cell membrane can e.g. B. also the temperature of a coolant in the cooling system of the fuel cell be measured, for example, to set the power loss in a targeted manner.  

Bei einer Temperaturmessung an verschiedenen Orten wird eine Redundanz erzielt, die zu erhöhter Sicherheit führt, beispielsweise gegen Überhitzung.Redundancy is achieved when measuring the temperature at different locations, which leads to increased safety, for example against overheating.

Insbesondere kann die Verlustleistung während einer Heiz- und/oder Startphase größer sein als die nach außen abgegebene elektrische Leistung (Nutzleistung). Je nach den Erfordernissen bzw. je nach Betriebszustand kann die durch die chemische Reaktion erzeugte Energie zum Heizen oder zur Stromerzeugung verwendet werden, wobei auch eine Kombination in unterschiedlichen Anteilen möglich ist.In particular, the power loss during a heating and / or starting phase be greater than the external electrical power (useful power). ever depending on the requirements or depending on the operating state, the chemical Reaction generated energy can be used for heating or for generating electricity, a combination in different proportions is also possible.

Wenn der zur Einstellung des zur Erwärmung genutzten großen elektrischen Stroms vorgesehene äußere, also mit den beiden Polen (Klemmen) der Brennstoffzelle verbundene elektrische Widerstand nicht vernachlässigbar klein ist, dann entsteht durch den Stromfluss auch an diesem Widerstand Wärme. Diese kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ebenfalls zur Erwärmung der Brennstoffzelle oder eines für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Medienstroms (z. B. Brennstoff, Oxidationsmittel, Kühlmittel) oder einer anderen Komponente im Kraftfahrzeug genutzt werden.When the large electric current used for heating is set provided outer, i.e. with the two poles (terminals) of the fuel cell connected electrical resistance is not negligibly small, then arises due to the current flow also heat at this resistor. This can be advantageous Further development of the invention also for heating the fuel cell or one Media flow required for the operation of the fuel cell (e.g. fuel, Oxidizing agent, coolant) or another component used in the motor vehicle become.

Mit Hilfe einer Test-Brennstoffzelle wurden verschiedene Versuche gefahren, um das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zu überprüfen. Dabei wurden für diese Test- Brennstoffzelle die folgenden Werte als vorteilhaft ermittelt. Beispielsweise ist die Stromdichte während einer Heiz- und/oder Startphase größer als 0,15 A/cm2, bevorzugt größer als 0,2 A/cm2, insbesondere bevorzugt größer als 0,25 A/cm2. Diese Werte können jedoch von der Art der Brennstoffzelle abhängig sein. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Klemmenspannung insbesondere während einer Heiz- und/oder Startphase kleiner als 0,6 V sein, bevorzugt kleiner als 0,3 V, insbesondere bevorzugt kleiner als 0,2 V.Various tests were carried out with the aid of a test fuel cell in order to check the operating method according to the invention. The following values were found to be advantageous for this test fuel cell. For example, the current density during a heating and / or starting phase is greater than 0.15 A / cm 2 , preferably greater than 0.2 A / cm 2 , particularly preferably greater than 0.25 A / cm 2 . However, these values can depend on the type of fuel cell. In the method according to the invention, the terminal voltage can be less than 0.6 V, in particular during a heating and / or starting phase, preferably less than 0.3 V, particularly preferably less than 0.2 V.

Die Brennstoffzelle kann z. B. dynamisch betrieben werden. Dies ist insbesondere für den Einsatz der Brennstoffzelle als Energielieferant in Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen bzw. Personenkraftwagen vorteilhaft bzw. notwendig.The fuel cell can e.g. B. operated dynamically. This is especially for the use of the fuel cell as an energy supplier in vehicles, especially in Motor vehicles or passenger cars advantageous or necessary.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuereinrichtung für Brennstoffzellen geschaffen, die eine Prozessoreinheit umfasst, die Programmmittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens aufweist. Die Programmmittel können zum Beispiel in Form von Computerprogrammen bzw. Software vorliegen, durch die der Betrieb der Brennstoffzelle gesteuert wird. Dadurch wird auf einfache Weise die erfindungsgemäße Heizung der Brennstoffzelle durchgeführt, deren besondere Vorteile oben bereits beschrieben wurden.According to a further aspect of the invention, a control device for Fuel cells created, which includes a processor unit, the program means for carrying out the operating method according to the invention. The  Program resources can, for example, in the form of computer programs or Software is available that controls the operation of the fuel cell. Thereby is the heating of the fuel cell according to the invention in a simple manner carried out, whose special advantages have already been described above.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Speichereinrichtung für Steuerungsprogramme zur Verfügung gestellt, die Programmmittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens umfasst. Als Speichereinrichtung können z. B. herkömmliche Speichermedien vorgesehen sein, die jedoch durch die Programmmittel bzw. durch die Software eine besondere Funktionalität verkörpern, durch die sie sich von den bekannten Speichermedien in der besonderen Weise der vorliegenden Erfindung unterscheiden.According to another aspect of the invention, a storage device for Control programs provided, the program means to carry out of the operating method according to the invention comprises. Can as a storage device z. B. conventional storage media may be provided, however, by the Program means or embody special functionality through the software, through which they differ from the known storage media in the special way of distinguish present invention.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das ein oder mehrere Brennstoffzellen umfasst und Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens aufweist. Das Brennstoffzellensystem kann z. B. auch die erfindungsgemäße Steuer- bzw. Regeleinrichtung umfassen, ebenso die Programmmittel, wie sie oben kurz beschrieben sind.According to another aspect of the invention, a fuel cell system created, which comprises one or more fuel cells and means for Carrying out the operating method according to the invention. The Fuel cell system can e.g. B. also the control or Control device include, as well as the program resources, as briefly above are described.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens, das als Beispiel dienen soll, näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is described below based on a preferred embodiment of the Process, which is to serve as an example, explained in more detail. Show:

Fig. 1 ein Diagramm, das eine beispielhafte Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle zeigt, wobei die Stromdichte in Abhängigkeit von der Klemmenspannung an einer Zelle aufgetragen ist; FIG. 1 is a graph showing the voltage characteristics of current shows an example of a fuel cell, wherein the current density is plotted as a function of the terminal voltage of a cell;

Fig. 2 ein Diagramm, das sowohl die Klemmenspannung als auch die Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Stromdichte beispielhaft wiedergibt; und Fig. 2 is a graph showing the terminal voltage and the power density as a function of current density represents an example both; and

Fig. 3 ein Diagramm, das die Klemmenspannung, die beispielsweise an einen Verbraucher abgegebene Leistung, die Wärme- bzw. Heizleistung innerhalb der Brennstoffzelle sowie die gesamte Leistung der Brennstoffzelle in Anhängigkeit von der Stromdicht zeigt. Fig. 3 is a diagram showing the terminal voltage, the power delivered to a consumer, for example, the heat or heating power within the fuel cell and the total power of the fuel cell as a function of the current density.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Diagramme beziehen sich auf die weiter oben beschriebene Test-Brennstoffzelle und sind daher in bezug auf die angegebenen Werte für diese spezielle Brennstoffzelle charakteristisch. Bei anderen Brennstoffzellen können die einzelnen Werte durchaus unterschiedlich sein.The diagrams shown in FIGS. 1 to 3 relate to the test fuel cell described above and are therefore characteristic of this particular fuel cell in relation to the values given. With other fuel cells, the individual values may well differ.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Strom-Spannungs-Kennlinie K einer PEM- Brennstoffzelle. Eine derartige U/I-Kennlinie ist charakteristisch für eine bestimmte Brennstoffzelle bzw. für einen bestimmten Brennstoffzellentyp, ebenso wie allgemein jede elektrische Spannungsquelle eine charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Dabei ist in der Fig. 1 die Klemmenspannung U an einer Zelle in Volt gegenüber der Stromdichte S in A/cm2 aufgetragen. Die Stromdichte S bezieht sich auf den Strom pro cm2 Membranfläche und erlaubt so den Vergleich von Brennstoffzellen mit unterschiedlicher Membrangröße bzw. unterschiedlich großen Membranflächen. Mit zunehmender Stromdichte verringert sich die Klemmenspannung stetig. Fig. 1 schematically shows a current-voltage characteristic K of a PEM fuel cell. Such a U / I characteristic curve is characteristic of a specific fuel cell or for a specific fuel cell type, just as in general every electrical voltage source has a characteristic current-voltage characteristic curve. In this case, the terminal voltage U 1 to a cell in volts versus the current density S in A / cm 2 is applied in FIG.. The current density S relates to the current per cm 2 of membrane area and thus allows the comparison of fuel cells with different membrane sizes or membrane areas of different sizes. The terminal voltage decreases steadily with increasing current density.

Aus Multiplikation der Stromdichte S und der Spannung U ist es nun möglich, die abgegebene Leistungsdichte P als Funktion der Stromdichte S anzugeben. Ausgehend von diesen Daten kann eine qualitative Empfehlung für den elektrischen Betriebspunkt der Brennstoffzelle angegeben werden, wie nachfolgend gezeigt ist.By multiplying the current density S and the voltage U it is now possible to given power density P as a function of current density S. outgoing From this data, a qualitative recommendation for the electrical operating point can be made of the fuel cell can be specified as shown below.

In Fig. 2 ist zusätzlich zur Strom-Spannungs-Kennlinie K die aus der Klemmenspannung U und der Stromdichte S berechnete elektrische Leistungsdichte Pel als Funktion der Stromdichte S der Brennstoffzelle aufgetragen. Die Werte der Leistungsdichte Pel wurden als Produkt von Klemmspannung U und Stromdichte S berechnet. Dabei ergibt sich ein Maximum der elektrischen Leistungsdichte Pmax bei einer bestimmten Stromdichte S3. Im vorliegenden Fall beträgt das Maximum der elektrischen Leistungsdichte Pmax 78 mW/cm2 bei einer Stromdichte S3 von 0,18 A/cm2.In addition to the current-voltage characteristic curve K, the electrical power density P el calculated from the terminal voltage U and the current density S is plotted in FIG. 2 as a function of the current density S of the fuel cell. The values of the power density P el were calculated as the product of the clamping voltage U and the current density S. This results in a maximum of the electrical power density P max at a specific current density S3. In the present case, the maximum of the electrical power density P max is 78 mW / cm 2 with a current density S3 of 0.18 A / cm 2 .

Betrachtet wird im folgenden die elektrische Leistung bei zwei verschiedenen Stromdichten S1 und S2, die unterhalb bzw. oberhalb von S3 liegen. Die beiden Stromdichten sind so gewählt, dass die Leistungsdichte bei beiden Stromdichten gleich ist. Da die Stromdichte S1 geringer ist als die Stromdichte S2, ist auch der Gesamtstrom I der Brennstoffzelle bei S1 geringer als bei S2. Die Klemmenspannung der Brennstoffzelle liegt jedoch bei S1 höher als bei S2.The electrical power of two different ones is considered below Current densities S1 and S2, which are below and above S3. The two Current densities are chosen so that the power density is the same for both current densities is. Since the current density S1 is lower than the current density S2, that is also  Total current I of the fuel cell in S1 is lower than in S2. The terminal voltage however, the fuel cell is higher at S1 than at S2.

Wird nun der Primärenergieverbrauch der Brennstoffzelle betrachtet, beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und aus der Luft entnommener Sauerstoff als Oxidationsmittel, so ergibt sich bei S2 ein größerer Primärenergieverbrauch als bei S1. Der Grund hierfür ist, dass der Verbrauch an Primärenergie bei größeren Strömen ansteigt. Der geeignetere bzw. optimale Betriebspunkt der Brennstoffzelle ist demnach bei der Stromdichte S1, da bei gleicher elektrischer Leistungsabgabe wie bei S2 weniger Primärenergie verbraucht wird.Now consider the primary energy consumption of the fuel cell, for example Hydrogen as fuel and oxygen from the air as Oxidizing agents, S2 has a higher primary energy consumption than S1. The reason for this is that the consumption of primary energy with larger currents increases. The more suitable or optimal operating point of the fuel cell is accordingly at the current density S1, since with the same electrical power output as with S2 less primary energy is consumed.

Bei den hier gemessenen Werten betragen die Stromdichten 0,125 A/cm2 für S1 und 0,21 A/cm2 für S2. Bei gleicher elektrischer Leistungsabgabe von Pel = 72 mW/cm2 ist der Verbrauch an Primärenergie bei der Stromdichte S2 um ca. 68% höher als bei S1.With the values measured here, the current densities are 0.125 A / cm 2 for S1 and 0.21 A / cm 2 for S2. With the same electrical power output of P el = 72 mW / cm 2 , the consumption of primary energy at the current density S2 is approx. 68% higher than with S1.

Durch den höheren Stromfluss steigen die Spannungsabfälle an den Innenwiderständen der Brennstoffzelle an, die Klemmenspannung wird dementsprechend geringer, und die Verlustleistung in der Brennstoffzelle steigt an.Due to the higher current flow, the voltage drops at the Internal resistance of the fuel cell, the terminal voltage accordingly lower, and the power loss in the fuel cell increases.

Ein anderer Gesichtspunkt in der Wahl des elektrischen Betriebspunktes ist das Ziel, ein möglichst große Leistungsdichte zu erreichen. Dadurch ist es möglich, die Brennstoffzelle klein bzw. kompakt und damit leicht auszugestalten.Another aspect in the choice of the electrical operating point is the goal to achieve the highest possible power density. This makes it possible to Fuel cell small or compact and therefore easy to design.

Aus diesen beiden Bedingungen, d. h. ein möglichst geringer Verbrauch an Primärenergie und eine möglichst große Leistungsdichte, ergibt sich ein optimaler Betriebspunkt der Brennstoffzelle im Bereich einer Stromdichte S, die kleiner ist als S1. Dieser Wert liegt unterhalb der Stromdichte S3 bei der maximalen Leistungsdichte Pmax. Daher ist noch eine Reserve für Spitzenlasten enthalten.These two conditions, ie the lowest possible primary energy consumption and the highest possible power density, result in an optimal operating point of the fuel cell in the range of a current density S which is smaller than S1. This value is below the current density S3 at the maximum power density P max . A reserve for peak loads is therefore still included.

Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt nun die geeignete Betriebsart, um die Brennstoffzelle erfindungsgemäß zu heizen. Dabei wird der elektrische Betriebspunkt so gewählt, dass die Brennstoffzelle durch eine entstehende Verlustleistung geheizt wird. In Fig. 3 ist daher zusätzlich zur Strom-Spannungs-Kennlinie K und zur Leistungsdichte Pel bzw. abgegebenen Leistung P noch die erzeugte Wärme W und die Gesamtleistung G in Abhängigkeit von der Stromdichte S aufgetragen. Der elektrische Betriebspunkt, der durch die Werte von Strom und Spannung bzw. durch deren Verhältnis charakterisiert ist, wird nun so eingestellt, dass die Stromdichte S größer ist als die Stromdichte S1 am optimalen Betriebspunkt, wie er oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.The diagram according to FIG. 3 now shows the suitable operating mode for heating the fuel cell according to the invention. The electrical operating point is selected so that the fuel cell is heated by a power loss that arises. In FIG. 3, therefore, in addition to the current-voltage characteristic curve K and the power density P el or output power P, the heat W generated and the total power G are plotted as a function of the current density S. The electrical operating point, which is characterized by the values of current and voltage or by their ratio, is now set such that the current density S is greater than the current density S1 at the optimal operating point, as was described above with reference to FIG. 2 ,

Je größer der Strom im Verhältnis zur Klemmenspannung ist, desto größer ist auch die Heizleistung bzw. die erzeugte Wärme W. Daher ist es je nach den Erfordernissen bzw. je nach Betriebsart unter Umständen noch besser, den Strom bzw. die Stromdichte S und/oder die Klemmenspannung U so einzustellen, dass die Stromdichte S größer ist als die Stromdichte bei maximaler Leistungsabgabe Pmax. Das heißt, der Betriebspunkt oder Betriebsbereich wird zum Zweck des Heizens der Brennstoffzelle zeitweilig so gewählt, dass die Stromdichte größer ist als die Stromdichte S3 bei maximaler Leistungsdichte Pmax, also bei einem Strom, der so groß ist, dass die abgegebene Leistung P bzw. Pel bereits wieder absinkt.The greater the current in relation to the terminal voltage, the greater the heating power or the heat generated W. Therefore, depending on the requirements or the operating mode, it may be even better, the current or the current density S and / or set the terminal voltage U so that the current density S is greater than the current density at maximum power output P max . This means that the operating point or operating range is temporarily selected for the purpose of heating the fuel cell in such a way that the current density is greater than the current density S3 at the maximum power density P max , that is to say at a current which is so great that the output power P or P el already drops again.

Um eine noch größere Verlustleistung zu erzwingen und damit noch mehr Heizleistung zu erreichen, kann die Stromdichte S sogar so groß eingestellt werden, dass die abgegebene Leistung Pel auf unter 80%, unter 50%, oder sogar auf unter 30%, unter 10% oder noch weniger der maximalen Leistung Pmax abfällt. Die Brennstoffzelle wird also durch Wahl des äußeren elektrischen Widerstands bzw. des Innenwiderstands dazu gezwungen, möglichst viel Strom zu verbrauchen und dabei möglichst wenig elektrische Leistung abzugeben, d. h. der elektrische Wirkungsgrad wird durch erhöhten Stromfluss zeitweilig herabgesetzt, um die Brennstoffzelle im jeweils erforderlichen Umfang zu heizen.In order to force an even greater power loss and thus achieve even more heating power, the current density S can even be set so high that the output power P el is below 80%, below 50%, or even below 30%, below 10% or even less of the maximum power P max . The choice of the external electrical resistance or the internal resistance forces the fuel cell to consume as much current as possible and to deliver as little electrical power as possible, ie the electrical efficiency is temporarily reduced by increased current flow in order to heat the fuel cell to the extent required in each case ,

Um die größte Heizleistung zu erreichen, wird der Widerstand so weit wie möglich minimiert. Im Extremfall wird die Brennstoffzelle kurzgeschlossen.To achieve the greatest heating power, the resistance is as high as possible minimized. In extreme cases, the fuel cell is short-circuited.

Die erzeugte Wärme entsteht an der Membran der Brennstoffzelle. Dort ist z. B. ein Temperatursensor angebracht, um die momentane Temperatur der Membran zu messen. Es ist aber auch möglich, die Kühlwassertemperatur mittels eines Temperatursensors zu messen und damit den Betrieb bzw. den Heizvorgang zu überwachen. The heat generated is generated on the membrane of the fuel cell. There is e.g. B. a Temperature sensor attached to the current temperature of the membrane too measure up. But it is also possible to use a cooling water temperature To measure temperature sensor and thus the operation or the heating process monitor.  

Eine geeignete Steuereinrichtung steuert oder regelt den Betrieb der Brennstoffzelle entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren. Das heißt, die Steuer- oder Regeleinrichtung stellt insbesondere den äußeren elektrischen Widerstand der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor gemessenen Membran- oder Kühlwassertemperatur so ein, dass der ideale Temperaturbereich infolge der Erwärmung durch die vom Innenwiderstand der Brennstoffzelle verursachte Verlustleistung möglichst schnell erreicht und/oder gehalten wird.A suitable control device controls or regulates the operation of the fuel cell according to the procedure described above. That is, the tax or Control device in particular represents the external electrical resistance of the Fuel cell depending on that measured with the temperature sensor Membrane or cooling water temperature so that the ideal temperature range due to the heating caused by the internal resistance of the fuel cell Power loss is reached and / or maintained as quickly as possible.

Die Steuereinrichtung umfasst zu diesem Zweck beispielsweise einen Mikroprozessor, der die Werte vom Temperatursensor verarbeitet und entsprechende Steuersignale an einen Widerstandsregler übergibt. Dazu ist in dem Mikroprozessor ein Steuerprogramm abgelegt, das die Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung übernimmt. Dieses Steuerprogramm kann z. B. auf einem Datenträger bzw. Speichermedium abgelegt sein und in den Prozessor bzw. die Recheneinheit geladen werden.For this purpose, the control device comprises, for example, a microprocessor, which processes the values from the temperature sensor and corresponding control signals passes a resistance regulator. For this is in the microprocessor Control program filed, the control or regulation of the heating power takes over. This control program can e.g. B. on a disk or Storage medium be stored and loaded into the processor or the computing unit become.

Eine geeignete Regelung kann darin bestehen, dass der erfindungsgemäß eingeschaltete äußere elektrische Widerstand nur in einer Anfangsphase auf einem sehr kleinen Wert gehalten und mit zunehmender Annäherung an einen ausreichenden Erwärmungszustand der Brennstoffzelle erhöht wird, um die Wärmeentwicklung in der Brennstoffzelle zu drosseln. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der äußere Widerstand, der zur Erzwingung der Wärmeentwicklung eingeschaltet wird, zeitlich getaktet betrieben wird, um eine Überhitzung der Brennstoffzelle auszuschließen.A suitable regulation can consist in that the invention external electrical resistance switched on only in an initial phase kept very small value and with increasing approach to a sufficient Heating condition of the fuel cell is increased to prevent the heat in the Throttle fuel cell. But it can also be provided that the outer Resistance that is switched on to force the development of heat, temporally is operated clocked to rule out overheating of the fuel cell.

Durch die vorliegende Erfindung können Brennstoffzellen schnell auf die optimale Temperatur gebracht werden. Dabei ist zudem kein oder allenfalls nur ein geringer Aufwand erforderlich, um das Verfahren durchführen zu können. Hierdurch können insbesondere auch Kosten gespart werden. By means of the present invention, fuel cells can quickly reach the optimum Temperature. In addition, there is little or no at all Effort required to carry out the procedure. This can in particular, costs can also be saved.  

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

K Strom-Spannungs-Kennlinie
G Gesamtleistung
P abgegebene Leistung
Pel K Current-voltage characteristic
G total output
P output power
P el

elektrische Leistungsdichte
Pmax electrical power density
P max

maximale elektrische Leistungsdichte
S Stromdichte
S1 Stromdichte bei optimaler Leistungsdichte
S2 Stromdichte
S3 Stromdichte bei maximaler Leistungsdichte
U Klemmenspannung
W Verlustleistung/Wärme
maximum electrical power density
S current density
S1 current density with optimal power density
S2 current density
S3 current density at maximum power density
U terminal voltage
W power loss / heat

Claims (13)

1. Betriebsverfahren für Brennstoffzellen, bei dem unterschiedliche Reaktionsstoffe einer Brennstoffzelle zugeführt werden um elektrische Energie zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise, insbesondere in der Phase des Starts der Brennstoffzelle der elektrische Betriebspunkt zum Erzeugen einer erhöhten Verlustleistung so eingestellt wird, dass die Stromdichte (S) größer ist als die Stromdichte bei optimaler oder maximaler Leistungsdichte (S1, S3), wobei die Verlustleistung (W) in Form von Wärme zur Erwärmung der Brennstoffzelle auf eine gewünschte Betriebstemperatur genutzt wird und die Stromdichte (S) nach Erreichen dieser Betriebstemperatur wieder reduziert wird.1. Operating method for fuel cells, in which different reactants are supplied to a fuel cell in order to generate electrical energy, characterized in that at least at times, in particular in the phase of starting the fuel cell, the electrical operating point for generating an increased power loss is set such that the current density (S) is greater than the current density at the optimal or maximum power density (S1, S3), the power loss (W) in the form of heat being used to heat the fuel cell to a desired operating temperature and the current density (S) again after this operating temperature has been reached is reduced. 2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle zumindest zeitweise mit einem elektrischen Widerstand belastet wird, der kleiner ist als der äußere elektrische Widerstand bei maximaler Leistungsdichte (Pmax), wobei die Größe des äußeren elektrischen Widerstands bevorzugt gegen Null geht.2. Operating method according to claim 1, characterized in that the fuel cell is at least temporarily loaded with an electrical resistance that is smaller than the external electrical resistance at maximum power density (P max ), the size of the external electrical resistance preferably going to zero. 3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle mit einem äußeren elektrischen Widerstand belastet wird, der so klein gehalten ist, dass die Stromdichte (S) maximiert und/oder die Klemmenspannung minimiert wird.3. Operating method according to claim 1 or 2, characterized, that the fuel cell has an external electrical resistance is kept so small that the current density (S) maximizes and / or the Terminal voltage is minimized. 4. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des äußeren elektrischen Widerstands beim Betrieb der Brennstoffzelle variiert wird, um die Verlustleistung zum Heizen der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle gezielt einzustellen. 4. Operating method according to one of the preceding claims, characterized, that the size of the external electrical resistance when operating the The fuel cell is varied to match the heat dissipation Targeted fuel cell depending on the temperature of the fuel cell adjust.   5. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle insbesondere während einer Kaltstartphase kurzzeitig elektrisch kurzgeschlossen wird.5. Operating method according to one of the preceding claims, characterized, that the fuel cell is brief, especially during a cold start phase is electrically short-circuited. 6. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Brennstoffzelle gemessen wird und das Messergebnis zur Steuerung und/oder Regelung der Verlustleistung (W) zum Heizen der Brennstoffzelle verwendet wird.6. Operating method according to one of the preceding claims, characterized, that the temperature of the fuel cell is measured and the measurement result to control and / or regulate the power loss (W) for heating the Fuel cell is used. 7. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Brennstoffzellen-Membran und/oder die Temperatur im Umgebungsbereich der Brennstoffzellen-Membran und/oder die Temperatur einer Kühlflüssigkeit im Kühlsystem der Brennstoffzelle gemessen wird, um die Verlustleistung (W) gezielt einzustellen.7. Operating method according to one of the preceding claims, characterized, that the temperature of the fuel cell membrane and / or the temperature in the vicinity of the fuel cell membrane and / or the temperature a coolant in the cooling system of the fuel cell is measured to Set power loss (W) specifically. 8. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung (W) während einer Heiz- und/oder Startphase größer ist als die nach außen abgegebene elektrische Leistung (P).8. Operating method according to one of the preceding claims, characterized, that the power loss (W) is greater during a heating and / or starting phase than the electrical power (P) given to the outside. 9. Betriebsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle dynamisch betrieben wird.9. Operating method according to one of the preceding claims, characterized, that the fuel cell is operated dynamically. 10. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem zumindest zeitweilig mit der Brennstoffzelle verbundenen äußeren Widerstand anfallende Widerstandswärme ebenfalls zur Erwärmung der Brennstoffzelle oder eines für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Medienstroms genutzt wird. 10. Operating method according to one of claims 2 to 9, characterized, that at least temporarily connected to the fuel cell Resistance heat generated by external resistance also for heating the fuel cell or one required for the operation of the fuel cell Media stream is used.   11. Steuereinrichtung für Brennstoffzellen, gekennzeichnet durch eine Prozessoreinheit, die Programmmittel zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.11. control device for fuel cells, characterized by a processor unit, the program means for Implementation of the operating method according to one of claims 1 to 10 having. 12. Speichereinrichtung für Steuerungsprogramme, gekennzeichnet durch Programmmittel zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.12. Storage device for control programs, characterized by program means for carrying out the Operating method according to one of claims 1 to 10. 13. Brennstoffzellensystem, das ein oder mehrere Brennstoffzellen umfasst, gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.13. fuel cell system comprising one or more fuel cells, characterized by means for carrying out the operating process according to one of claims 1 to 10.
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