DE102007048317A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), welches nach einem Abschalten angefahren wird und bei dem in der Anfahrphase ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum (4) einer Brennstoffzelle (2) geleitet wird, und während der Anfahrphase aus dem Anodenraum (4) austretendes Anodengasgemisch in einer Rezirkulationseinrichtung (9) des Brennstoffzellensystems (1) zumindest anteilig wieder in den Anodenraum (4) geleitet wird, wobei die von einem Brennstoffspeicher (6) zum Anodenraum (4) zugeleitete Menge von Brennstoff während der Anfahrphase zumindest zeitweise variiert wird.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1), which is started after a shutdown and during which a fuel is passed through the at least partially filled with air anode space (4) of a fuel cell (2) in the start - up phase, and during the Starting phase from the anode chamber (4) exiting anode gas mixture in a recirculation device (9) of the fuel cell system (1) is at least partially re-directed into the anode compartment (4), wherein the from a fuel storage (6) to the anode compartment (4) fed amount of fuel during the starting phase is at least temporarily varied.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches nach einem Abschalten angefahren wird und bei dem in der Anfahrphase ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum des Brennstoffzellensystems geleitet wird. Ein während der Anfahrphase aus der Anodensonde austretendes Anodengasgemisch wird in einem Rezirkulationskreislauf des Brennstoffzellensystems zumindest anteilig wieder in den Anodenraum geleitet.The The invention relates to a method for operating a fuel cell system, which is approached after a shutdown and in which in the Starting phase a fuel through which at least partially with Air-filled anode compartment of the fuel cell system passed becomes. An anode gas mixture emerging from the anode probe during the start-up phase is in a recirculation circuit of the fuel cell system at least partially re-directed into the anode compartment.
Ein
derartiges Verfahren ist aus der
Aus
der
Bei den bekannten Verfahren kann das Problem einer auftretenden Wasserstoff-Sauerstoffgradientenbildung in der Anode nur bedingt vermieden werden. Beim Anfahren einer Brennstoffzelle ist somit weiterhin die Problematik gegeben, dass ein in die Anode geleiteter Wasserstoffmassenstrom den dort noch vorhandenen Sauerstoff verdrängt. Der dadurch entstehende Wasserstoff-Sauerstoffgradient ist der Hauptgrund für die vorzeitige Alterung von Brennstoffzellen. Insbesondere der Katalysator der Brennstoffzelle wird durch zu hohe Wasserstoff-Sauerstoffgradienten entlang eines Kanals innerhalb einer Brennstoffzelle geschädigt.at The known method can solve the problem of hydrogen-oxygen gradient formation occurring be avoided only conditionally in the anode. When starting up a fuel cell is thus still given the problem that one in the anode directed hydrogen mass flow the remaining oxygen there repressed. The resulting hydrogen-oxygen gradient is the main reason for the premature aging of fuel cells. In particular, the catalyst of the fuel cell is too high Hydrogen oxygen gradients along a channel within a fuel cell damaged.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, bei welchem die Schädigung einer Brennstoffzelle aufgrund eines zu hohen Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten zumindest reduziert werden kann.It It is an object of the present invention to provide a method of operation a fuel cell system in which the damage a fuel cell due to an excessive fuel-oxidant gradient at least it can be reduced.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst.These The object is achieved by a method which has the features according to claim 1, solved.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird eine abgeschaltete Brennstoffzelle wieder angefahren. In der Anfahrphase wird ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum des Brennstoffzellensystems geleitet. Während der Anfahrphase wird ein aus dem Anodenraum austretendes Anodengasgemisch in einem Rezirkulationskreislauf des Brennstoffzellensystems zumindest anteilig wieder in den Anodenraum zurückgeleitet. Der von einem Brennstoffspeicher zum Anodenraum zugeleitete Brennstoff wird in seiner Menge während der Anfahrphase zumindest zeitweise variiert. Dies bedeutet, dass während der Anfahrphase zumindest zeitweise keine kontinuierliche Zuführung der Brennstoffmenge vom Brennstoffspeicher zum Anodenraum erfolgt, sondern dass dieses Zuführen zumindest einmal während eines Zuführvorgangs mengenmäßig verändert wird.at a method according to the invention for operating of a fuel cell system becomes a shutdown fuel cell started again. In the start-up phase, a fuel is through the at least proportionally filled with air anode space passed the fuel cell system. During the start-up phase is an emerging from the anode chamber anode gas mixture in a Recirculation of the fuel cell system at least partially returned back to the anode compartment. The one by one Fuel storage to the anode compartment fed fuel is in its amount during the start-up phase at least temporarily varied. This means that during the start-up phase, at least temporarily no continuous supply of fuel from the Fuel storage is done to the anode compartment, but that this feeding at least once during a feeding process is changed in quantity.
Durch diese Vorgehensweise kann eine deutliche Reduzierung eines Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten in der Brennstoffzelle erreicht werden. Dadurch kann ein Schädigungsmechanismus der Brennstoffzelle, welcher eine schnelle Alterung hervorruft, zumindest deutlich eingedämmt werden. Durch diese während der Anfahrphase variierende Dosierung der Brennstoffmengenzuführung von dem Brennstoffspeicher zum Anodenraum kann darüber hinaus auch der Anfahrprozess beschleunigt werden. Startvorgänge des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise auch Stopp-Start- Vorgänge, wirken sich dadurch auch nicht mehr nachteilig auf die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems aus. Darüber hinaus können auch vereinfachte und sichere Abstellszenarien des Brennstoffzellensystems realisiert werden. Beispielsweise ist es nicht mehr erforderlich, dass die Anode hermetisch dicht abgestellt wird. Vielmehr kann sogar ein Restwasserstoff im Anodenvolumen verbraucht werden, so dass das Brennstoffzellensystem ohne Wasserstoffüberdruck abgestellt bzw. geparkt werden kann.By this approach can significantly reduce a fuel-oxidant gradient be achieved in the fuel cell. This can be a damaging mechanism of Fuel cell, which causes rapid aging, at least be clearly contained. Through this while the start-up phase varying dosage of fuel quantity supply from the fuel storage to the anode compartment may moreover also the startup process can be accelerated. start-ups the fuel cell system, such as stop-start processes, This also does not affect adversely on the life of the fuel cell system. In addition, you can also simplified and safe parking scenarios of the fuel cell system will be realized. For example, it is no longer required that the anode is shut off hermetically. Rather, it can even a residual hydrogen is consumed in the anode volume, so that the fuel cell system turned off without hydrogen overpressure or can be parked.
Die variierende Dosierung des zugeleiteten Brennstoffs ermöglicht eine sehr präzise und zu den momentanen Zeitpunkten optimiert abgestimmte Zugabe der Brennstoffmenge. Es gewährleistet besonders effizient die Vermeidung eines zu hohen Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten entlang eines Kanals innerhalb der Brennstoffzelle.The varying metering of the fuel supplied allows for a very precise and optimally tuned at the current times the amount of fuel. It particularly efficiently prevents the avoidance of too high a fuel-oxidant gradient along a channel within the fuel cell.
Vorzugsweise wird der von dem Brennstoffspeicher zum Anodenraum zugeleitete Brennstoff in seiner Menge während der Anfahrphase zumindest zeitweise erhöht.Preferably becomes the fuel supplied from the fuel storage to the anode compartment in its quantity during the start-up phase at least temporarily elevated.
Insbesondere wird der von dem Brennstoffspeicher zu dem Anodenraum zugeleitete Brennstoff in seiner Menge während der Anfahrphase zumindest zeitweise kontinuierlich und stetig verändert. Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest zeitweise während der Anfahrphase der von dem Brennstoffspeicher zum Anodenraum zugeleitete Brennstoff in seiner Menge kontinuierlich erhöht wird. Dies gewährleistet eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise einerseits im Hinblick auf ein schnellstmögliches Anfahren der Brennstoffzelle und andererseits zur Vermeidung eines schädigenden Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten.Especially the gas supplied from the fuel storage to the anode compartment Fuel in its amount during the start-up phase, at least temporarily and continuously changed at times. Especially it is particularly advantageous if at least temporarily during the start-up phase of the fed from the fuel storage to the anode compartment Fuel in its amount is continuously increased. This ensures a particularly advantageous procedure on the one hand with a view to the fastest possible start the fuel cell and on the other hand to avoid a harmful fuel-Oxidationsmittelgradienten.
In dem Rezirkulationskreislauf des Brennstoffzellensystems ist bevorzugterweise ein Gebläse angeordnet, welches in der Anfahrphase zum Rückführen des Anodengasgemisches in den Anodenraum zumindest zeitweise in einem spezifischen Rückführmodus betrieben wird. Durch diese Vorgehensweise wird der Rückführprozess des Anodengasgemisches sehr spezifisch und auf die momentane Situation angepasst durchgeführt. In Ergänzung mit der Variation des Massenstroms des vom Brennstoffspeicher zum Anodenraum zugeleiteten Brennstoffs kann somit die situationsabhängige Einstellung der Konzentrationen des Brennstoffs einerseits und des Oxidationsmittels andererseits nochmals verfeinert werden.In the recirculation circuit of the fuel cell system is preferably arranged a fan, which in the start-up phase for Recycling the anode gas mixture into the anode compartment at least temporarily in a specific feedback mode is operated. This procedure becomes the return process the anode gas mixture very specific and on the current situation adapted carried out. In addition to the variation the mass flow of the fed from the fuel storage to the anode compartment Fuel can thus the situation-dependent adjustment of Concentrations of the fuel on the one hand and of the oxidizing agent on the other hand be refined again.
Vorzugsweise wird im Rückführmodus des Gebläses eine Drehzahl des Gebläses eingestellt, welche größer ist als die im nach der Anfahrphase eingestellten Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems eingestellte Drehzahl. Durch diese erhöhte Drehzahl kann die Rückführung des Anodengasgemisches beschleunigt werden und dadurch die Erhöhung der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenraum und die Reduzierung der Konzentration des Oxidationsmittels im Anodenraum besonders schnell durchgeführt werden, ohne dass jedoch ein zu hoher Brennstoff-Oxidationsmittelgradient entstehen würde.Preferably becomes in the return mode of the blower a Speed of the fan set, which is greater is the normal mode set after the start-up phase set the fuel cell system speed. Due to this increased speed can accelerate the recycling of the anode gas mixture and thereby increase of concentration of fuel in the anode compartment and reducing the concentration of the oxidizing agent be carried out particularly quickly in the anode compartment, without but that too high a fuel-oxidant gradient occurs would.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass im Rückführmodus eine maximale Drehzahl des Gebläses eingestellt wird. Das Gebläse wird somit zumindest zeitweise in der Anfahrphase in Volllast betrieben. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Rückführmodus die Drehzahl des Gebläses im Wesentlichen für die gesamte Zeitdauer im Wesentlichen konstant eingestellt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Drehzahl im Rückführmodus während der Anfahrphase des Brennstoffzellensystems zumindest einmal variiert wird. Durch diese Vorgehensweisen kann wiederum situationsabhängig die effektivste Betriebsweise ausgewählt und durchgeführt werden.Especially it is preferably provided that in the return mode a maximum speed of the fan is set. The Blower is thus at least temporarily in the start-up phase operated at full load. It is preferably provided that in the return mode the speed of the fan essentially for the entire period of time is set substantially constant. However, it can also be provided that the speed in the return mode during the start-up phase of the fuel cell system at least is varied once. Through these procedures can turn Depending on the situation, the most effective mode of operation is selected and performed.
Vorzugsweise wird das im Rezirkulationskreislauf geführte Anodengasgemisch zumindest zeitweise während der Anfahrphase anteilig über eine mit dem Rezirkulationskreislauf gekoppelte Ablasseinrichtung aus dem Rezirkulationskreislauf abgeführt. Durch diese Vorgehensweise wird eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die während einer Anfahrphase momentan erforderliche oder einzustellende Konzentration des Brennstoffs und des Oxidationsmittels erreicht.Preferably is the guided in the recirculation circuit anode gas mixture at least temporarily during the start-up period proportionally over a with the recirculation circuit coupled discharge device removed from the recirculation circuit. By this procedure will be another improvement with regard to during a start-up phase currently required or set concentration of the fuel and the oxidizing agent.
Vorzugsweise wird die Zeitdauer des Ablassens über die Ablasseinrichtung und/oder die abzulassende Menge des Anodengasgemisches über die Ablasseinrichtung abhängig von der Brennstoffkonzentration und/oder der Oxidationsmittelkonzentration in dem Anodenraum bestimmt. Dadurch kann die Abstimmung im Hinblick auf die zugeleitete Menge des Anodengasgemisches besonders fein und genau erfolgen.Preferably becomes the duration of the discharge via the discharge device and / or the amount of anode gas mixture to be discharged the discharge device depending on the fuel concentration and / or the oxidizer concentration in the anode compartment. This allows the vote to be taken with regard to the quantity of Anodengasgemisches particularly fine and accurate.
Vorzugsweise wird das über die Ablasseinrichtung aus dem Rezirkulationskreislauf abgeführte Anodengasgemisch dem Katodenraum des Brennstoffzellensytems zugeführt. Es kann vorgesehen sein, dass diese Zuführung am Eingang des Katodenraums oder aber auch am Ausgang des Katodenraums erfolgt.Preferably this is via the discharge from the recirculation circuit discharged anode gas mixture the cathode compartment of the fuel cell system fed. It can be provided that this feeder at the entrance of the cathode space or at the exit of the cathode space he follows.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das über die Ablasseinrichtung aus dem Rezirkulationskreislauf abgeführte Anodengasgemisch in die Umgebung oder eine von dem Katodenraum wegführende Abluftstrecke zugeführt wird.It can also be provided that via the discharge device discharged from the recirculation circuit anode gas mixture into the environment or away from the cathode compartment Exhaust air line is supplied.
Durch die stetige Erhöhung der Wasserstoffkonzentration während einer genügend hohen Rezirkulationsrate und daraus resultierenden Durchmischung des Anodengasgemischs können schädlich hohe Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten verhindert werden. Insbesondere dann, wenn der Brennstoff Wasserstoff ist, und das Oxidationsmittel Sauerstoff ist, kann somit ein schädlicher hoher Wasserstoff-Sauerstoffgradient vermieden werden. Das Anfahren oder Aufstarten des Brennstoffzellensystems ist somit insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass eben gerade keine abrupte kontinuierliche Wasserstoffzuführung erfolgt, sondern dass während der Anfahrphase zumindest zeitweise eine allmähliche Steigerung der Zugabe von Wasserstoff aus dem Brennstoffspeicher erfolgt. Während dieser Zeit soll insbesondere eine hohe Rezirkulationsrate des Anodenvolumens gewährleistet sein, wodurch dazu insbesondere die Rückführung des Anodengasgemisches zumindest anteilig in den Anodenraum erfolgt. Ist daraufhin die Oxidationsmittelkonzentration im Anodenraum abgebaut und nahe null Prozent, ist die Anfahrphase abgeschlossen. Durch das gezielte Öffnen des Rezirkulationskreislaufs über die Ablasseinrichtung kann der Anfahrvorgang zusätzlich beschleunigt werden.By continuously increasing the hydrogen concentration during a sufficiently high recirculation rate and the resulting mixing of the anode gas mixture harmful high fuel Oxidantmittelgradienten can be prevented. In particular, when the fuel is hydrogen and the oxidant is oxygen, a harmful high hydrogen-oxygen gradient can thus be avoided. The start-up or start-up of the fuel cell system is therefore characterized in particular by the fact that there is just no abrupt continuous supply of hydrogen, but that, at least temporarily, a gradual increase in the addition of hydrogen from the fuel reservoir occurs during the start-up phase. During this time should In particular, a high recirculation rate of the anode volume can be ensured, as a result of which in particular the recycling of the anode gas mixture takes place at least partially into the anode chamber. If the oxidant concentration in the anode compartment is then reduced and close to zero percent, the start-up phase is completed. The targeted opening of the recirculation circuit via the discharge device, the starting process can be additionally accelerated.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:One Embodiment of the invention will be described below schematic drawings explained in more detail. there demonstrate:
In
Das
Brennstoffzellensystem
Des
Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem
Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Leitung
Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Ablasseinrichtung
Insbesondere
weist das Brennstoffzellensystem
Darüber
hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem
Nachfolgend
wird die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems
Daher
wird nach dem Starten des Brennstoffzellensystems
Dies
ist in dem Diagramm gemäß
Zu
Beginn einer Anfahrphase zum Zeitpunkt t0 ist
die Konzentration des Wasserstoffs null. Mit fortschreitender Zeitdauer
steigt dann ab dem Zeitpunkt t2 die Konzentration
des Wasserstoffs in dem Anodenraum
Dies
wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Ventil
Darüber
hinaus wird gemäß dem Diagramm in
Es
kann auch vorgesehen sein, dass in der Anfahrphase eine geringere
Drehzahl als die maximale Drehzahl D1 eingestellt wird. Vorzugsweise
ist jedoch vorgesehen, dass die in der Anfahrphase und somit im
Rückführmodus eingestellte Drehzahl D1 des Gebläses
Vorzugsweise
ist die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t0 und
t2 minimal, da unmittelbar nach dem Starten
des Brennstoffzellensystems
Zum
Zeitpunkt t1 wird dann die maximale Wasserstoffkonzentration
im Anodenraum
Der
Startvorgang des Brennstoffzellensystems
Auch
die über die Einmündung
Die
Zeitdauer des Ablassens und/oder die abzulassende Menge des Anodengasgemisches über
die Leitung
Es
kann vorgesehen sein, dass die Zuführung des Brennstoffs
vom Brennstoffspeicher
Durch
das bevorzugte Zusammenspiel der Mediumzufuhr an den Anodenraum
aus dem Brennstoffspeicher
- 11
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 22
- Brennstoffzellefuel cell
- 33
- Kathodenraumcathode space
- 44
- Anodenraumanode chamber
- 55
- Membranmembrane
- 66
- Brennstoffspeicherfuel storage
- 77
- Zuführleitungfeed
- 88th
- VentilValve
- 99
- Rezirkulationseinrichtungrecirculation
- 1010
- Rezirkulationsleitungrecirculation
- 1111
- Einmündungjunction
- 1212
- Gebläsefan
- 1313
- Motorengine
- 14, 1514 15
- Ablasseinrichtungdischarge device
- D1, D2D1, D2
- Drehzahlrotation speed
- t0, t1, t2t0 t1, t2
- Zeitpunkttime
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - DE 102004037097 A1 [0003] DE 102004037097 A1 [0003]
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