DE102009026917B4

DE102009026917B4 - Detection of water accumulation on the cathode side and initiation of appropriate countermeasures

Info

Publication number: DE102009026917B4
Application number: DE102009026917.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sauter; Ulrich Gottwick; Daniel Zirkel; Jürgen Binder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: DE102009026917A1

Abstract

Verfahren zur Verhinderung von etwaigen Schäden an mindestens einer Brennstoffzelle bei einer Flutung mindestens einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel (2) eines Brennstoffzellensystems (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
I. Sicherstellen einer ausreichenden Versorgung des Brennstoffzellenstapels (2) mit einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel auch im Falle einer Erhöhung einer Last (12, 13, 14)
II. Kurzzeitige Erhöhung der Last (12, 13, 14) des Brennstoffzellensystems (1)
III. Messen einer elektrischen Spannung (U) des Brennstoffzellenstapels (2)
IV. Erkennen einer Flutung, wenn die elektrische Spannung (U) nach der Erhöhung der Last (12, 13, 14) unterhalb eines Grenzwertes (Y) liegt
V. Wenn eine Flutung erkannt worden ist, Reduktion von Wasser an der Katalysatorschicht zur Verhinderung von etwaigen Schäden

Method for preventing any damage to at least one fuel cell when at least one catalyst layer of the fuel cell is flooded, the fuel cell being arranged in a fuel cell stack (2) of a fuel cell system (1), characterized in that the method has the following steps:
I. Ensuring a sufficient supply of the fuel cell stack (2) with a fuel and an oxidizing agent even in the event of an increase in load (12, 13, 14)
II. Short-term increase in the load (12, 13, 14) of the fuel cell system (1)
III. Measuring an electrical voltage (U) of the fuel cell stack (2)
IV. Detecting flooding if the electrical voltage (U) is below a limit value (Y) after increasing the load (12, 13, 14).
V. If flooding has been detected, reduce water on the catalyst layer to prevent any damage

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von etwaigen Schäden an mindestens einer Brennstoffzelle bei einer Flutung mindestens einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems angeordnet ist, gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 9.The invention relates to a method for preventing any damage to at least one fuel cell when at least one catalyst layer of the fuel cell is flooded, the fuel cell being arranged in a fuel cell stack of a fuel cell system, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 9.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen mit einem Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle, die als Festkörperelektrolyt eine Protonen leitende Membran aufweist, benötigen zur Aufrechterhaltung der Protonenleitfähigkeit Feuchtigkeit. Hierzu wird ein Kathodeneintrittstrom üblicherweise befeuchtet, um so die Feuchtigkeit der Membran sicher zu stellen. Als Produkt der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle entsteht zusätzliches Wasser an einer als Katalysatorschicht ausgebildeten Kathode der Brennstoffzelle. Insbesondere bei einem fehlenden Feuchtigkeitssensor und/oder fehlender Regelung der Feuchtigkeit des Kathodeneintrittstroms kann es jedoch vorkommen, dass sich insgesamt zuviel Wasser an der Kathode ansammelt und die Kathode geflutet wird. Dadurch wird eine ausreichende Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel verhindert, wodurch die elektrische Spannung und damit die Leistung der Brennstoffzelle einbrechen. In einem Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind, kann es zu einer Richtungsumkehr der elektrischen Spannung einzelner Brennstoffzellen mit gefluteter Kathode kommen, wobei die Richtungsumkehr zu einer Schädigung der Membran oder von Elektroden der Brennstoffzelle führt.Fuel cells with a solid-state electrolyte, for example a proton exchange membrane (PEM) fuel cell, which has a proton-conducting membrane as the solid-state electrolyte, require moisture to maintain proton conductivity. For this purpose, a cathode inlet stream is usually humidified in order to ensure the moisture of the membrane. As a product of the electrochemical reaction of the fuel cell, additional water is formed on a cathode of the fuel cell designed as a catalyst layer. However, particularly if there is no moisture sensor and/or no regulation of the humidity of the cathode inlet current, it can happen that too much water accumulates on the cathode and the cathode is flooded. This prevents the cathode from being sufficiently supplied with oxidizing agent, which causes the electrical voltage and thus the performance of the fuel cell to collapse. In a fuel cell stack in which several fuel cells are connected in series, a reversal of direction of the electrical voltage of individual fuel cells with a flooded cathode can occur, with the reversal of direction leading to damage to the membrane or electrodes of the fuel cell.

Die US 7 323 262 B2 offenbart ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Flutung einer Brennstoffzelle daran erkannt wird, dass die elektrische Spannung der Brennstoffzelle unter einen ersten Wert sinkt. Danach wird die Flutung beseitigt, indem der Kathodeneintrittstrom erhöht und ein Anodenstrom durch das Öffnen eines Auslassventils gereinigt wird. Wenn die elektrische Spannung der Brennstoffzelle einen zweiten Wert erreicht, wird davon ausgegangen, dass die Flutung beseitigt ist, und die Maßnahmen werden eingestellt. Nachteilig hierbei ist, dass die elektrische Spannung der Brennstoffzelle in einem von einem Benutzer gewünschten Betriebszustand unter einen ersten Wert sinken muss, um die Flutung zu erkennen, d.h. es ist bereits ein Zustand beim Betrieb der Brennstoffzelle erreicht, indem eine Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel nicht mehr ausreichend ist. Die Leistung der Brennstoffzelle fällt durch die gesunkene elektrische Spannung ab, so dass die vom Benutzer gewünschte Leistung der Brennstoffzelle nicht erreicht wird.The US 7,323,262 B2 discloses a method and a fuel cell system in which flooding of a fuel cell is recognized when the electrical voltage of the fuel cell drops below a first value. Flooding is then eliminated by increasing the cathode inlet stream and cleaning an anode stream by opening an outlet valve. When the electrical voltage of the fuel cell reaches a second value, it is considered that the flooding has been eliminated and the measures are discontinued. The disadvantage here is that the electrical voltage of the fuel cell in an operating state desired by a user must fall below a first value in order to detect flooding, ie a state has already been reached during operation of the fuel cell in which the fuel cell is not supplied with oxidizing agent is no longer sufficient. The performance of the fuel cell drops due to the reduced electrical voltage, so that the fuel cell performance desired by the user is not achieved.

In der Offenlegungsschrift DE 102 27 272 A1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur Luftkonditionierung von Niederdruck-PEM-Brennstoffzellen offenbart. Dabei wird die den Brennstoffzellen zuzuführende Luft über ein oder mehrere Luftkolbengebläse mit nachgeschaltetem Pufferspeicher über die Primärseite eines Kapillarröhrenbefeuchters angesaugt, befeuchtet, auf etwa Brennstoffzellenstacktemperatur erwärmt und durch die Brennstoffzelle gedrückt, wobei über die Sekundärseite des Kapillarröhrenbefeuchter gleichzeitig die Abluft der Brennstoffzelle geleitet wird und diese einen Teil ihrer Feuchte und Temperatur im Kapillarröhrenbefeuchter auf die Zuluft überträgt, des weiteren enthält die Regelung der Zuluft ein selbstlernendes Modell, welches eine kombinierte Messung von Membranfeuchte und Zellspannung erhält.In the disclosure document DE 102 27 272 A1 a method and device for air conditioning of low-pressure PEM fuel cells is disclosed. The air to be supplied to the fuel cells is sucked in via one or more air piston blowers with a downstream buffer storage via the primary side of a capillary tube humidifier, humidified, heated to approximately fuel cell stack temperature and pressed through the fuel cell, with the exhaust air from the fuel cell being simultaneously passed through the secondary side of the capillary tube humidifier and forming it Part of its humidity and temperature is transferred to the supply air in the capillary tube humidifier, and the control of the supply air also contains a self-learning model, which receives a combined measurement of membrane humidity and cell voltage.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 039 928 A1 ist ein System und Verfahren zur Detektion einer Wasserstauvariabilität von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle unter Verwendung von Mustererkennungstechniken offenbart. Dabei kann das System und Verfahren niedrige Leistung erzielende Zellen in einem Brennstoffzellenstapel verhindern. Das Verfahren umfasst, dass ein Impuls der Kathodeneingangsluftströmung bei geringen Stapelstromdichten periodisch geliefert wird und der Stromdichteausgang jeder Zelle in Ansprechen auf den Impuls verglichen wird. Diejenigen Zellen, die keine signifikante Wasseransammlung besitzen, sehen eine bestimmte Spannungssignatur vor, und diejenigen Zellen, die eine signifikante Wasseransammlung besitzen, sehen eine andere Spannungssignatur vor. Wenn eine oder mehrere der Zellen die Spannungssignatur für Wasseransammlung aufweisen, dann können die Kathodeneinlassluftströmungsimpulse öfters geliefert werden, um zu verhindern, dass die Zellen ausfallen.In the disclosure document DE 10 2007 039 928 A1 discloses a system and method for detecting fuel cell-to-fuel cell water build-up variability using pattern recognition techniques. The system and method can prevent low-performance cells in a fuel cell stack. The method includes periodically providing a pulse of cathode input airflow at low stack current densities and comparing the current density output of each cell in response to the pulse. Those cells that do not have significant water accumulation provide a particular voltage signature, and those cells that do have significant water accumulation provide a different voltage signature. If one or more of the cells have the voltage signature for water accumulation, then the cathode inlet airflow pulses may be delivered more frequently to prevent the cells from failing.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2004 005530 A1 ist ein Gerät und Verfahren zur Brennstoffzellen-Betriebszustandsbestimmung offenbart. Dabei werden zur Bestimmung des Betriebszustands eines Brennstoffzellenstacks mehrere Schritte durchgeführt. In einem Schritt wird bestimmt, ob eine Spannung zumindest einer Brennstoffzelle oder eine Spannung eines Brennstoffzellenstapels innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs liegt. In einem folgenden Schritt wird bestimmt, ob eine Spannung unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die auf einen vorab eingestellten niedrigen Wert liegt, der während eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während eines gefluteten Zustands im Wesentlichen unmöglich ist. In einem folgenden Schritt wird bestimmt, ob der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist oder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls die Spannung sich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet und unterhalb der vorbestimmten Spannung liegt. Es wird bestimmt, ob der Betriebszustand entweder ein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustand ist, falls die Spannung innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmten Spannung liegt.In the disclosure document DE 10 2004 005530 A1 a device and method for determining fuel cell operating status is disclosed. Several steps are carried out to determine the operating state of a fuel cell stack. In one step, it is determined whether a voltage of at least one fuel cell or a voltage of a fuel cell stack is within an incorrect voltage range. In a subsequent step, it is determined whether a voltage is below a predetermined voltage, which is at a preset low value, which is substantially the same during an insufficient oxidant gas condition and during a flooded condition is impossible. In a subsequent step, if the voltage is within an incorrect voltage range and is below the predetermined voltage, it is determined whether the operating condition is an insufficient fuel gas condition or a dried-out condition. It is determined whether the operating condition is either an insufficient oxidant gas condition or a flooded condition if the voltage is within the incorrect voltage range and is above the predetermined voltage.

In der Offenlegungsschrift WO 04/0 49 487 A2 ist ein System und Verfahren für ein Brennstoffzellensystem offenbart. Dabei beinhaltet die Brennstoffzelle einen ersten Reaktanteneinlass, einen ersten Reaktantenauslass, einen zweiten Reaktanteneinlass und einen zweiten Reaktantenauslass. Der erste Reaktant strömt in den ersten Reaktanteneinlass, der zweite Reaktant strömt in den zweiten Reaktanteneinlass. Es wird der Zustand der Brennstoffzelle mit Hilfe einer einer Variablen überwacht, die einen Hinweis darauf gibt, ob ein Fluten vorliegt. Auf Basis der Variablen wird ermittelt, ob die Brennstoffzelle geflutet ist. Sofern ein Fluten ermittelt wurde, wird ein zusätzlicher Anteil des ersten Reaktanten in die Brennstoffzelle eingeleitet.In the disclosure document WO 04/0 49 487 A2 a system and method for a fuel cell system is disclosed. The fuel cell includes a first reactant inlet, a first reactant outlet, a second reactant inlet and a second reactant outlet. The first reactant flows into the first reactant inlet, the second reactant flows into the second reactant inlet. The condition of the fuel cell is monitored using a variable that provides an indication of whether flooding is present. Based on the variables, it is determined whether the fuel cell is flooded. If flooding has been detected, an additional portion of the first reactant is introduced into the fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem eine Flutung mindestens einer Katalysatorschicht mindestens einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel erkannt werden kann, bevor ein Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels erreicht wird, in dem es zu Schädigungen durch die Flutung kommen kann und in dem ein Benutzer Leistungseinbußen spürt.It is the object of the invention to provide a method and a fuel cell system in which flooding of at least one catalyst layer of at least one fuel cell in a fuel cell stack can be detected before an operating state of the fuel cell stack is reached in which damage can occur due to the flooding and in where a user experiences performance degradation.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Brennstoffzellensystem des unabhängigen Anspruchs 9, insbesondere des kennzeichnenden Teils. Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems sind in dem abhängigen Vorrichtungsanspruch angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.To solve the problem, a method with the features of claim 1, in particular the characterizing part, is proposed. Advantageous developments of the method are specified in the dependent method claims. The task is further solved by a fuel cell system of independent claim 9, in particular the characterizing part. Advantageous developments of the fuel cell system are specified in the dependent device claim. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in combination.

Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass sich die elektrische Spannung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer gefluteten Katalysatorschicht bei niedriger Stromdichte nicht oder kaum von der elektrischen Spannung eines Brennstoffzellenstapels mit ausgeglichenem Wasserhaushalt, bei der die Katalysatorschichten nicht geflutet sind, unterscheidet, d.h. bei niedriger Stromdichte wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels durch geflutete Katalysatorschichten nicht verringert. Die Versorgung mit Brennstoff und Oxidationsmittel ist auch bei einer Flutung der Katalysatorschicht ausreichend, um eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden. Ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei einer derart niedrigen Stromdichte wird im Folgenden als Teillastbetrieb bezeichnet. Bei hoher Stromdichte unterscheidet sich die elektrische Spannung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer gefluteten Katalysatorschicht deutlich von einem Brennstoffzellenstapel mit ausgeglichenem Wasserhaushalt. Die Leistung des Brennstoffzellenstapels wird daher bei hohen Stromdichten durch die Flutung deutlich verringert. Die Abweichungen einzelner Brennstoffzellen von der mittleren gemessenen elektrischen Spannung nehmen zu. Es können daher einzelne Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel bei einer Flutung vorhanden sein, die eine negative Spannung aufweisen und geschädigt werden. Die Versorgung mit Brennstoff oder Oxidationsmittel ist bei einer Flutung der Katalysatorschicht nicht ausreichend. Dieser Zustand wird im Folgenden als Volllastbetrieb bezeichnet. Hierbei kann der Teillastbetrieb einen Großteil einer maximal möglichen Auslastung des Brennstoffzellenstapels umfassen, z.B. 0 bis ca. 90 %, während der Volllastbetrieb dann entsprechend eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels von 90 bis 100 % maximal möglicher Auslastung entsprechen kann.According to the invention, it is exploited that the electrical voltage of a fuel cell stack with at least one flooded catalyst layer at low current density differs little or no from the electrical voltage of a fuel cell stack with a balanced water balance, in which the catalyst layers are not flooded, i.e. at low current density the performance of the Fuel cell stack not reduced by flooded catalyst layers. Even if the catalyst layer is flooded, the supply of fuel and oxidizing agent is sufficient to avoid damage to the fuel cell stack. Operation of the fuel cell stack at such a low current density is referred to below as partial load operation. At high current densities, the electrical voltage of a fuel cell stack with at least one flooded catalyst layer differs significantly from a fuel cell stack with a balanced water balance. The performance of the fuel cell stack is therefore significantly reduced at high current densities due to flooding. The deviations of individual fuel cells from the average measured electrical voltage are increasing. There may therefore be individual fuel cells in the fuel cell stack during flooding that have a negative voltage and are damaged. The supply of fuel or oxidizing agent is not sufficient when the catalyst layer is flooded. This state is referred to below as full load operation. In this case, the partial load operation can include a large part of a maximum possible utilization of the fuel cell stack, for example 0 to approximately 90%, while the full load operation can then correspond to an operation of the fuel cell stack of 90 to 100% of the maximum possible utilization.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist. Der Brennstoffzellenstapel befindet sich im Teillastbetrieb. Zunächst wird in Schritt I. sichergestellt, dass eine ausreichende Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel auch vorliegt, wenn nachfolgend in Schritt II. kurzfristig eine Last erhöht wird. Hierzu kann eine Zuführung eines Brennstoffes und/oder Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel erhöht werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine Reduzierung der elektrischen Spannung bei der erfindungsgemäßen Erhöhung der Last auf eine Flutung zurückgeführt werden kann.According to the invention it is now provided that the method has the following steps. The fuel cell stack is in partial load operation. First, in step I. it is ensured that there is an adequate supply of fuel and an oxidizing agent to the fuel cell stack even if a load is subsequently increased briefly in step II. For this purpose, a supply of fuel and/or oxidizing agent to the fuel cell stack can be increased. This ensures that a reduction in the electrical voltage when the load is increased according to the invention can be attributed to flooding.

In Schritt II. wird nun kurzzeitig die Last erhöht, wobei unter Last im Folgenden alle zugeschalteten Verbraucher insgesamt bezeichnet werden. insbesondere wird die Last soweit erhöht, dass sich der Brennstoffzellenstapel nun im Volllastbetrieb befindet, da sich nur im Volllastbetrieb die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer gefluteten Katalysatorschicht von einem Brennstoffzellenstapel mit ausgeglichenem Wasserhaushalt deutlich unterscheidet. Bei der gefluteten Katalysatorschicht handelt es sich insbesondere um mindestens eine Kathode des Brennstoffzellenstapels, da sich hier üblicherweise zuviel Wasser ansammelt. Die Katalysatorschicht kann aber auch an eine Anode des Brennstoffzellenstapels sein.In step II, the load is now increased briefly, with all connected consumers being referred to as a whole under load. In particular, the load is increased to such an extent that the fuel cell stack is now in full load operation because only in full load operation does the electrical voltage of the fuel cell stack with at least one flooded catalyst layer differ significantly from a fuel cell stack with a balanced water balance. The flooded catalyst layer is in particular at least one cathode of the fuel cell stack, since too much water usually accumulates here. The catalyst layer can also be on an anode of the fuel cell stack.

In Schritt III. wird nun anschließend an die Erhöhung der Last die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels gemessen. Die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einer gefluteten Katalysatorschicht liegt im Volllastbetrieb unterhalb der elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstapels mit ausgeglichenem Wasserhaushalt. Daher kann eine Überwachungseinheit eine Flutung erkennen, indem die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels in Schritt IV. mit einem zuvor festgelegten Grenzwert für die elektrische Spannung verglichen wird. Unterschreitet die gemessene elektrische Spannung den Grenzwert, so liegt eine Flutung vor.In step III. After increasing the load, the electrical voltage of the fuel cell stack is now measured. The electrical voltage of the fuel cell stack with a flooded catalyst layer is below the electrical voltage of the fuel cell stack with a balanced water balance during full load operation. Therefore, a monitoring unit can detect flooding by comparing the electrical voltage of the fuel cell stack in step IV with a previously set limit value for the electrical voltage. If the measured electrical voltage falls below the limit value, there is flooding.

Hat die Überwachungseinheit eine Flutung festgestellt, so geht das Verfahren zu Schritt V. über. Hierbei werden Gegenmaßnahmen gegen die Flutung unternommen und damit etwaige Schäden an mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels und etwaige Leistungseinbußen im Volllastbetrieb vermieden. Alle Gegenmaßnahmen haben auch, aber nicht ausschließlich nur eine Reduktion des Wassers an der Katalysatorschicht zur Folge. in Schritt V. ist der zusätzliche Verbraucher vorzugsweise wieder abgeschaltet, damit das Brennstoffzellensystem sich nicht in einem schädigenden Zustand befindet.If the monitoring unit has detected flooding, the procedure moves to step V. In this case, countermeasures are taken against flooding, thus avoiding any damage to at least one fuel cell of the fuel cell stack and any loss of performance during full load operation. All countermeasures also, but not exclusively, result in a reduction of the water on the catalyst layer. In step V. the additional consumer is preferably switched off again so that the fuel cell system is not in a damaging state.

Vorzugsweise werden die Schritte I. bis IV. im Teillastbetrieb wiederholend durchgeführt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schritte I. bis IV. in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, während das Verfahren nur zu Schritt V. übergeht, sobald eine Flutung festgestellt wird. Zusätzlich zur elektrischen Spannung kann in Schritt III. die elektrische Stromstärke bestimmt werden, um zu überprüfen, ob sich der Brennstoffzellenstapel durch die Erhöhung der Last im Volllastbetrieb befindet. Die Durchführung des Verfahrens kann zusätzlich zu der Durchführung in regelmäßigen Abständen insbesondere dann durchgeführt werden, nachdem Gegenmaßnahmen zur Entfernung einer Flutung ergriffen worden sind, um zu überprüfen, ob die Gegenmaßnahmen greifen. Waren die Gegenmaßnahmen erfolgreich und wurde die Flutung entfernt, so kann zu einer Wiederholung des Verfahrens in regelmäßigen Abständen zurückgekehrt werden. Bei einem bereits bestehenden Volllastbetrieb wird das Verfahren ausgesetzt.Preferably, steps I. to IV. are carried out repeatedly in partial load operation. It can be provided that steps I. to IV. are carried out at regular intervals, while the method only moves to step V. as soon as flooding is detected. In addition to the electrical voltage, in step III. the electrical current intensity can be determined in order to check whether the fuel cell stack is in full load operation due to the increase in load. The implementation of the procedure can be carried out in addition to the implementation at regular intervals, in particular after countermeasures have been taken to remove flooding, in order to check whether the countermeasures are effective. If the countermeasures were successful and the flooding was removed, the procedure can be repeated at regular intervals. If there is already full-load operation, the process is suspended.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann bereits im Teillastbetrieb erkannt werden, ob eine Flutung der Katalysatorschicht vorliegt und entsprechende Gegenmaßnahmen zur Entfernung der Flutung eingeleitet werden. Das bedeutet, dass eine Flutung erkannt und entfernt wird, bevor es zu einer Schädigung des Brennstoffzellenstapels kommen kann. Dadurch dass Flutungen regelmäßig erkannt und entfernt werden, kann das Brennstoffzellensystem in den Volllastbetrieb übergehen, ohne durch eine schon vorhandene Flutung Schädigungen oder Leistungseinbußen im Volllastbetrieb befürchten zu müssen. Ein Benutzer kann also das Brennstoffzellensystem von einem Teillastbetrieb zu einem Volllastbetrieb übergehen lassen, beispielsweise im Falle eines Einbaus des Brennstoffzellensystems in ein Fahrzeug bei einer Bergfahrt, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt. Einem Benutzer steht daher die gesamte Leistung des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung. Flutungen machen sich nicht bemerkbar.The method according to the invention can be used to detect whether the catalyst layer is flooding during partial load operation and to initiate appropriate countermeasures to remove the flooding. This means that flooding is detected and removed before damage to the fuel cell stack can occur. Because flooding is regularly detected and removed, the fuel cell system can switch to full-load operation without having to fear damage or loss of performance in full-load operation due to existing flooding. A user can therefore let the fuel cell system switch from partial load operation to full load operation, for example in the case of installing the fuel cell system in a vehicle when driving uphill, without there being any loss of performance. The entire power of the fuel cell stack is therefore available to a user. Flooding is not noticeable.

Um in Schritt II. die Last zu erhöhen, ist es denkbar, dass ein Verbraucher zusätzlich zugeschaltet wird. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen Verbraucher, der bereits im Brennstoffzellensystem vorhanden ist, so dass für das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Verbraucher eingebaut werden müssen. Der Verbraucher muss die Last genügend erhöhen, damit das Brennstoffzellensystem von dem Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb übergeht. Hierbei kann der Verbraucher ein Akkumulator, insbesondere ein Hochleistungs-Akkumulator, oder ein Heizer, insbesondere ein 15 kW-Heizer, sein. Der Heizer dient ansonsten zum Aufheizen des Kühlmittels bei einem Anfahren des Brennstoffzellensystems. Sollte ein Verbraucher nicht ausreichen, so können auch mehrere Verbraucher zugeschaltet werden.In order to increase the load in step II, it is conceivable that an additional consumer is switched on. This is preferably a consumer that is already present in the fuel cell system, so that no additional consumers need to be installed for the method according to the invention. The consumer must increase the load sufficiently so that the fuel cell system switches from partial load operation to full load operation. The consumer can be an accumulator, in particular a high-performance accumulator, or a heater, in particular a 15 kW heater. The heater is otherwise used to heat the coolant when the fuel cell system starts up. If one consumer is not enough, several consumers can also be connected.

Da die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels sowohl bei einer Flutung als auch bei einem ausgeglichenen Wasserhaushalt eine Funktion der elektrischen Stromstärke ist, ist es vorteilhaft, dass der Grenzwert in Abhängigkeit von der elektrischen Stromstärke festgelegt ist. Hierzu kann vor Beginn des Brennstoffzellenbetriebes eine Kennlinie oder ein Kennlinienbereich aufgenommen werden, der die elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Stromstärke für einen Brennstoffzellenstapel mit einem ausgeglichenen Wasserhaushalt wiedergibt und der als zulässiger Kennlinienbereich bezeichnet wird. Zusätzlich kann eine Kennlinie aufgenommen werden, die die elektrische Spannung in Abhängigkeit von der elektrischen Stromstärke für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Flutung wiedergibt und die als Kennlinie bei Flutung bezeichnet wird. Der zulässige Kennlinienbereich und/oder die Kennlinie bei Flutung können durch Messungen, Rechnungen, Schätzungen oder Simulationen festgelegt werden. Während des Verfahrens wird die Stromstärke, die zusätzliche gemessen werden muss, nun der gemessenen elektrischen Spannung zugeordnet und die Lage des resultierenden Betriebspunktes mit dem zulässigen Kennlinienbereich verglichen. Liegt der Betriebspunkt unterhalb des zulässigen Kennlinienbereichs, so wird auf eine Flutung geschlossen. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass bei einem Betriebspunkt auf der Kennlinie bei Flutung weitere Hinweise auf den Zustand des Brennstoffsystems gefolgert werden.Since the electrical voltage of the fuel cell stack is a function of the electrical current strength both during flooding and when the water balance is balanced, it is advantageous that the limit value is set as a function of the electrical current intensity. For this purpose, before the fuel cell operation begins, a characteristic curve or a characteristic curve range can be recorded which reflects the electrical voltage as a function of the current strength for a fuel cell stack with a balanced water balance and which is referred to as the permissible characteristic curve range. In addition, a characteristic curve can be recorded which represents the electrical voltage as a function of the electrical current for a fuel cell stack with flooding and which is referred to as the characteristic curve for flooding becomes. The permissible characteristic range and/or the characteristic curve during flooding can be determined through measurements, calculations, estimates or simulations. During the procedure, the current intensity that also needs to be measured is assigned to the measured electrical voltage and the position of the resulting operating point is compared with the permissible characteristic curve range. If the operating point is below the permissible characteristic range, flooding is assumed. In addition, it can be provided that further information about the state of the fuel system is inferred at an operating point on the characteristic curve during flooding.

Ist eine Flutung festgestellt worden, so wird in Schritt V. das Wasser an der betroffenen Katalysatorschicht reduziert, wobei im Folgenden beispielhaft davon ausgegangen wird, dass die betroffene Katalysatorschicht die Kathode ist. Als am schnellsten wirksame Gegenmaßnahme kann die Last des Brennstoffzellensystems verringert werden. Hierzu wird zunächst der kurzfristig zugeschaltete Verbraucher wieder abgeschaltet. Reicht diese Gegenmaßnahme nicht aus, so können weitere Verbraucher abgeschaltet oder deren geforderte Leistung reduziert werden. Hierdurch geht das Brennstoffzellensystem wieder in den Teillastbetrieb über, so dass Schädigungen vermieden werden. Zusätzlich wird durch die geringere Leistung des Brennstoffzellenstapels weniger Reaktionswasser produziert, so dass bei einem konstanten oder erhöhten Abtransport des Wassers eine Reduktion des Wassers an der Kathode erfolgt.If flooding has been detected, the water on the affected catalyst layer is reduced in step V. It is assumed below, for example, that the affected catalyst layer is the cathode. The fastest effective countermeasure is to reduce the load on the fuel cell system. For this purpose, the consumer that was switched on for a short time is first switched off again. If this countermeasure is not sufficient, additional consumers can be switched off or their required power reduced. This causes the fuel cell system to return to partial load operation so that damage is avoided. In addition, due to the lower power of the fuel cell stack, less reaction water is produced, so that if the water is transported away at a constant or increased rate, the water at the cathode is reduced.

Es kann auch vorgesehen sein, dass zur Reduktion des Wassers in Schritt V. der Abtransport des Wassers erhöht wird. Hierzu kann ein Kathodeneintrittstrom, der als ein Massenstrom Oxidationsmittel den Kathoden zuführt, erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Kathodeneintrittstrom leichte Pulsationen aufweisen. Der Abtransport des Wassers von den Kathoden wird auch erhöht, wenn aufgrund eines erhöhten Konzentrationsgefälles an der Membran vermehrt Wasser durch die Membran diffundiert. Daher ist auch ein erhöhter Abtransport von Wasser auf der Anodenseite durch eine Reduktion von Feuchtigkeit eines Anodenstroms, der die Anoden mit Brennstoff versorgt, möglich. An- und Abtransport von Wasser zu den Kathoden werden reduziert, wenn der Kathodeneintrittstrom eine geringe Feuchtigkeit aufweist. Da der Kathodeneintrittstrom vor einem Brennstoffzelleneintritt üblicherweise befeuchtet wird, kann es ausreichend sein, den Kathodeneintrittstrom zumindest teilweise unbefeuchtet zu lassen.It can also be provided that in order to reduce the water in step V. the removal of the water is increased. For this purpose, a cathode inlet stream, which supplies oxidizing agent to the cathodes as a mass flow, can be increased. Additionally or alternatively, the cathode entry current may exhibit slight pulsations. The removal of water from the cathodes is also increased if more water diffuses through the membrane due to an increased concentration gradient across the membrane. Therefore, an increased removal of water on the anode side is also possible by reducing the moisture in an anode current that supplies the anodes with fuel. The transport of water to and from the cathodes is reduced if the cathode inlet stream has low humidity. Since the cathode inlet stream is usually humidified before fuel cell entry, it may be sufficient to leave the cathode inlet stream at least partially unhumidified.

Zur Reduktion des Wassers kann lediglich eine Gegenmaßnahme durchgeführt werden als auch eine Kombination aus verschiedenen Gegenmaßnahmen.To reduce the water, only one countermeasure can be carried out or a combination of different countermeasures can be carried out.

Zur besseren Diagnostik des Zustandes einzelner Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel können auch die elektrischen Spannungen jeder einzelnen Brennstoffzelle gemessen werden und zur Erkennung von kritischen Zuständen, insbesondere einer Spannungsumkehr, zusätzlich herangezogen werden.To better diagnose the condition of individual fuel cells in the fuel cell stack, the electrical voltages of each individual fuel cell can also be measured and additionally used to detect critical states, in particular a voltage reversal.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei in dem Brennstoffzellensystem eine Überwachungseinheit vorgesehen ist, die das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann. Das heißt, dass die Überwachungseinheit im Teillastbetrieb veranlassen kann, einen Verbraucher kurzfristig zuzuschalten, und dass die Überwachungseinheit aus einer danach durch ein Spannungsmessgerät gemessenen elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstapels ermitteln kann, ob eine Flutung mindestens einer Katalysatorschicht des Brennstoffzellenstapels vorliegt. In diesem Fall liegt die elektrische Spannung unterhalb eines zuvor festgelegten Grenzwertes, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von der elektrischen Stromstärke festgelegt werden kann.The object is also achieved by a fuel cell system with a fuel cell stack, a monitoring unit being provided in the fuel cell system which can carry out the method according to the invention. This means that the monitoring unit can cause a consumer to be switched on for a short time in partial load operation, and that the monitoring unit can determine from an electrical voltage of the fuel cell stack subsequently measured by a voltage measuring device whether there is flooding of at least one catalyst layer of the fuel cell stack. In this case, the electrical voltage is below a previously set limit, whereby the limit can be set depending on the electrical current strength.

Die Erfindung kann bei jeder Art von Brennstoffzelle eingesetzt werden, bei denen eine Flutung einer Katalysatorschicht zu vermeiden ist, beispielsweise bei einer Brennstoffzelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran, aber auch bei anderen Festkörperelektrolyten. Als Brennstoff können Wasserstoff, aber auch Methan, Methanol oder längerkettige Alkohole oder Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Als Oxidationsmittel kann Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft dienen.The invention can be used in any type of fuel cell in which flooding of a catalyst layer must be avoided, for example in a fuel cell with a polymer electrolyte membrane, but also in other solid electrolytes. Hydrogen, but also methane, methanol or longer-chain alcohols or hydrocarbons can be used as fuel. Oxygen or air containing oxygen can serve as the oxidizing agent.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

1 Einen Kennlinienbereich und eine Kennlinie in einer Auftragung der elektrischen Spannung der Brennstoffzelle über der elektrischen Stromstärke,
2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.

Further measures improving the invention result from the following description of an exemplary embodiment of the invention, which is shown schematically in the figures. All features and/or advantages arising from the claims, the description or the drawing, including constructive details, spatial arrangement and method steps, can be essential to the invention both individually and in a wide variety of combinations. Show it:

1 A characteristic curve range and a characteristic curve in a plot of the electrical voltage of the fuel cell versus the electrical current,
2 a fuel cell system according to the invention.

In 1 ist die elektrische Spannung U eines Brennstoffzellenstapels 2 über der elektrischen Stromstärke I des Brennstoffzellenstapels 2 aufgetragen. Hierbei liegt zwischen der elektrischen Stromstärke I beim Punkt A und der elektrischen Stromstärke I beim Punkt C ein üblicher Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels 2, wobei Punkt C die maximal mögliche Auslastung des Brennstoffzellenstapels 2 angibt. Die elektrische Spannung U sinkt durch den Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels 2 mit steigender Stromstärke I, wobei sich für den Fall, dass ein ausgeglichener Wasserhaushalt im Brennstoffzellenstapel 2 vorliegt, in denen Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 nicht geflutet sind, ein zulässiger Kennlinienbereich Z ergibt. Hierbei können sich zu einer Stromstärke I mehrere zulässige Spannungen U innerhalb von einer oberen Toleranzgrenze X und einer unteren Toleranzgrenze Y in Abhängigkeit von Parametern des Brennstoffzellenstapels 2, wie Temperatur, zulässiger Feuchtigkeit und/oder Konzentrationen eines Brennstoffes und Oxidationsmittels ergeben. Sind ein oder mehrere Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 geflutet, so bricht bei hohen Stromstärken I die Spannung U ein. Hieraus ergibt sich eine Kennlinie F für einen Brennstoffzellenstapel 2 mit gefluteten Kathoden, wobei die Kennlinie F ab einem Punkt B der gemessenen Stromstärke I außerhalb des zulässigen Kennlinienbereichs Z liegt. Der Betriebsbereich zwischen den Punkten A und C teilt sich demnach in einen ersten Bereich D, in dem die Kennlinie F und der zulässige Kennlinienbereich Z innerhalb der Toleranzgrenzen X,Y übereinstimmen, und in einen zweiten Bereich E, in dem die Kennlinie F sich unterhalb der unteren Toleranzgrenze Y des zulässigen Kennlinienbereiches Z befindet, auf. Dies ist in 1 beispielhaft am Punkt C als ΔU dargestellt. Im ersten Bereich D befindet sich der Brennstoffzellenstapel 2 in einem Teillastbetrieb, während im zweiten Bereich E der Brennstoffzellenstapel 2 in einem Volllastbetrieb befindet.In 1 the electrical voltage U of a fuel cell stack 2 is plotted against the electrical current I of the fuel cell stack 2. Here, a usual operating range of the fuel cell stack 2 lies between the electrical current intensity I at point A and the electrical current intensity I at point C, with point C indicating the maximum possible utilization of the fuel cell stack 2. The electrical voltage U decreases due to the internal resistance of the fuel cell stack 2 with increasing current I, whereby a permissible characteristic curve range Z results in the event that there is a balanced water balance in the fuel cell stack 2, in which cathodes of the fuel cell stack 2 are not flooded. In this case, a current intensity I can result in several permissible voltages U within an upper tolerance limit X and a lower tolerance limit Y depending on parameters of the fuel cell stack 2, such as temperature, permissible humidity and / or concentrations of a fuel and oxidizing agent. If one or more cathodes of the fuel cell stack 2 are flooded, the voltage U drops at high currents I. This results in a characteristic curve F for a fuel cell stack 2 with flooded cathodes, the characteristic curve F lying outside the permissible characteristic curve range Z from a point B of the measured current intensity I. The operating range between points A and C is therefore divided into a first area D, in which the characteristic curve F and the permissible characteristic curve range Z match within the tolerance limits X, Y, and into a second area E, in which the characteristic curve F is below the lower tolerance limit Y of the permissible characteristic curve range Z. This is in 1 shown as an example at point C as ΔU. In the first area D, the fuel cell stack 2 is in partial load operation, while in the second area E, the fuel cell stack 2 is in full load operation.

Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich das Brennstoffzellensystem 1 an einem ersten Betriebspunkt L1 im Teillastbetrieb. Nun wird die Zuführung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels und die Last des Brennstoffzellensystems 1 erhöht, so dass sich das Brennstoffzellensystem 1 anschließend an einem zweiter Betriebspunkt L2 im Volllastbetrieb befindet. Danach wird überprüft, ob der zweite Betriebspunkt L2 nach der Lasterhöhung unterhalb der unteren Toleranzgrenze Y liegt und somit eine Flutung vorliegt. Da dies der Fall ist, wird die Last wieder reduziert, so dass der erste Betriebspunkt L1 oder ein anderer Betriebspunkt innerhalb des ersten Bereiches D eingenommen wird. Zusätzlich werden Gegenmaßnahmen ergriffen, um die Flutung zu entfernen. Nach einer gewissen Zeit, in der davon ausgegangen werden kann, dass die Flutung entfernt worden ist, kann erneut die Last erhöht werden, um zu überprüfen, ob die Gegenmaßnahmen ausreichend waren. Waren die Gegenmaßnahmen ausreichend, so verschiebt sich der erste Betriebspunkt L1 zu einem dritten Betriebspunkt L3, der innerhalb des zulässigen Kennlinienbereichs Z im Volllastbetrieb liegt. Die Gegenmaßnahmen können nun eingestellt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 kann in den Teillastbetrieb zurückkehren und das erfindungsgemäße Verfahren kann in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 1 nun, wenn von einem Benutzer gewünscht, in den Vollastbetrieb wechseln, ohne Leistungseinbußen und Schädigungen des Brennstoffzellenstapels 2 befürchten zu müssen. Waren die Gegenmaßnahmen noch nicht erfolgreich, so verschiebt sich der erste Betriebspunkt z.B. zu einem vierten Betriebspunkt L4 außerhalb des Kennlinienbereiches Z, worauf die Gegenmaßnahmen aufrecht erhalten werden. Das Erhöhen der Last bei einer ausreichenden Versorgung mit Brennstoff und Oxidationsmittel, das Messen der elektrischen Spannung, das Überprüfen auf Flutung und das Reduzieren der Last wird solange wiederholt, bis die Gegenmaßnahmen greifen.At the beginning of the method according to the invention, the fuel cell system 1 is in partial load operation at a first operating point L1. Now the supply of fuel and the oxidizing agent and the load of the fuel cell system 1 are increased, so that the fuel cell system 1 is then in full load operation at a second operating point L2. It is then checked whether the second operating point L2 after the load increase is below the lower tolerance limit Y and therefore whether there is flooding. Since this is the case, the load is reduced again so that the first operating point L1 or another operating point within the first range D is assumed. Additionally, countermeasures will be taken to remove flooding. After a certain period of time, during which it can be assumed that the flooding has been removed, the load can be increased again to check whether the countermeasures were sufficient. If the countermeasures were sufficient, the first operating point L1 shifts to a third operating point L3, which lies within the permissible characteristic curve range Z in full-load operation. The countermeasures can now be discontinued. The fuel cell system 1 can return to partial load operation and the method according to the invention can be carried out at regular intervals. Alternatively, if desired by a user, the fuel cell system 1 can now switch to full load operation without having to fear loss of performance and damage to the fuel cell stack 2. If the countermeasures were not yet successful, the first operating point shifts, for example, to a fourth operating point L4 outside the characteristic curve range Z, whereupon the countermeasures are maintained. Increasing the load with a sufficient supply of fuel and oxidizer, measuring the electrical voltage, checking for flooding and reducing the load is repeated until the countermeasures take effect.

In 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 auf, dem als Brennstoff Wasserstoff durch ein Einlassventil 7 in einem Anodenstrom 20 zur Verfügung gestellt wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems 1 und um aus Sicherheitsgründen Wasserstoffemissionen zu vermeiden, wird der Wasserstoff in einem Rezirkulationspfad 10 dem Brennstoffzellenstapel 2 mit Hilfe einer Pumpe 9 mehrfach wieder zugeführt. Durch ein Auslassventil 8 kann der Anodenstrom 20 gereinigt werden. Der Anodenstrom strömt gemäß den Pfeilen 30. Als Oxidationsmittel wird dem Brennstoffzellenstapel 2 Sauerstoff enthaltene Luft aus der Umgebung in einem Kathodeneingangstrom 21 gemäß den Pfeilen 31 zugeführt. Die Luft wird dabei in einem Verdichter 3 komprimiert und in einem Befeuchter 4 befeuchtet. Ein Bypass 5 führt an dem Befeuchter 4 vorbei, wobei der Anteil des Kathodeneingangstroms 21, der in dem Befeuchter 4 befeuchtet wird, von einem Bypassventil 6 eingestellt werden kann. Nach der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 2, bei der an der Kathode Wasser gebildet wird, verlässt die verbliebene Luft mit einem hohen Wassergehalt als Kathodenaustrittstrom 22 den Brennstoffzellenstapel 2. Der Kathodenausgangstrom 22 dient hierbei zum Befeuchten des Kathodeneingangstroms 21. Dazu durchläuft der Kathodenausgangstrom 22 den Befeuchter 4, um dort Wasser durch eine wasserdurchlässige Membran 4.1 an den Kathodeneingangstrom 21 abzugeben.In 2 a fuel cell system 1 according to the invention is shown. The fuel cell system 1 has a fuel cell stack 2, to which hydrogen is made available as fuel through an inlet valve 7 in an anode stream 20. To increase the efficiency of the fuel cell system 1 and to avoid hydrogen emissions for safety reasons, the hydrogen is fed back several times in a recirculation path 10 to the fuel cell stack 2 using a pump 9. The anode stream 20 can be cleaned through an outlet valve 8. The anode current flows according to the arrows 30. Air containing oxygen from the environment is supplied to the fuel cell stack 2 as the oxidizing agent in a cathode input stream 21 according to the arrows 31. The air is compressed in a compressor 3 and humidified in a humidifier 4. A bypass 5 leads past the humidifier 4, and the proportion of the cathode input stream 21 that is humidified in the humidifier 4 can be adjusted by a bypass valve 6. After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 2, in which water is formed on the cathode, the remaining air with a high water content leaves the fuel cell stack 2 as the cathode exit stream 22. The cathode output stream 22 serves to moisten the cathode input stream 21. For this purpose, the cathode output stream 22 passes through the Humidifier 4 in order to release water through a water-permeable membrane 4.1 to the cathode input stream 21.

in 2 sind neben den Massenströmen auch ein elektrischer Stromkreis 18 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist ein Spannungsmessgerät 11 zum Messen der elektrischen Spannung U und ein Strommessgerät 17 zum Messen der elektrischen Stromstärke I auf. Ferner ist ein Hauptverbraucher 12 z.B. ein Motor in einem Fahrzeug, in dem Stromkreis 18 angeordnet. Zuschaltbare Verbraucher wie ein Heizer 13 oder ein Akkumulator 14 sind parallel dazu angeordnet. Während sich das Brennstoffzellensystem 1 im Teillastbetrieb befindet, veranlasst eine Überwachungseinheit 16, dass bei einer Versorgung des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoff und Luft, die vermutlich im Volllastbetrieb nicht ausreicht, durch Erhöhung der Leistung des Verdichters 3 und/oder stärkere Öffnung des Einlassventils 7 und/oder der Erhöhung der Leistung der Pumpe 9 die Versorgung mit Wasserstoff und Luft sichergestellt wird. Nun veranlasst die Überwachungseinheit 16, dass probeweise die Last erhöht wird, indem beispielsweise der Akkumulator 14 zugeschaltet wird. Hierdurch geht das Brennstoffzellensystem 1 in den Volllastbetrieb über, was anhand der an die Überwachungseinheit 16 übermittelten Stromstärke überprüft wird. Ist die Stromstärke nicht ausreichend, kann als weiterer Verbraucher der Heizer 13 zugeschaltet werden. Nachdem der Volllastbetrieb erreicht worden ist, werden die Spannung U und die Stromstärke I gemessen und an die Überwachungseinheit 16 übermittelt. Die Überwachungseinheit 16 überprüft, ob der sich ergebende Betriebspunkt unterhalb der unteren Toleranzgrenze Y liegt. Wird eine Flutung festgestellt, so werden Gegenmaßnahmen von der Überwachungseinheit 16 eingeleitet.in 2 In addition to the mass flows, an electrical circuit 18 is also shown. The fuel cell system 1 has a voltage measuring device 11 for measuring the electrical voltage U and an ammeter 17 for measuring the electrical current I. Furthermore, a main consumer 12, for example a motor in a vehicle, is arranged in the circuit 18. Switchable consumers such as a heater 13 or an accumulator 14 are arranged in parallel. While the fuel cell system 1 is in partial load operation, a monitoring unit 16 causes the fuel cell stack 2 to be supplied with hydrogen and air, which is presumably not sufficient in full load operation, by increasing the output of the compressor 3 and/or opening the inlet valve 7 more and/or or increasing the performance of the pump 9 to ensure the supply of hydrogen and air. Now the monitoring unit 16 causes the load to be increased on a trial basis, for example by switching on the accumulator 14. As a result, the fuel cell system 1 goes into full load operation, which is checked based on the current intensity transmitted to the monitoring unit 16. If the current strength is not sufficient, the heater 13 can be switched on as an additional consumer. After full load operation has been achieved, the voltage U and the current I are measured and transmitted to the monitoring unit 16. The monitoring unit 16 checks whether the resulting operating point is below the lower tolerance limit Y. If flooding is detected, countermeasures are initiated by the monitoring unit 16.

Zum einen kann als erste, schnelle Maßnahme der Akkumulator 14 und/oder der Heizer 13 wieder abgeschaltet werden. Weiterhin kann notfalls die angeforderte Leistung des Hauptverbrauchers 12 eingeschränkt werden.On the one hand, as a first, quick measure, the accumulator 14 and/or the heater 13 can be switched off again. Furthermore, if necessary, the requested power of the main consumer 12 can be restricted.

Als zweite mittelfristig greifende Gegenmaßnahme kann die Überwachungseinheit 16 den Verdichter 3 veranlassen, für einen erhöhten und/oder pulsierenden Kathodeneingangstrom 21 in den Brennstoffzellenstapel 2 zu sorgen. Hierdurch wird das Wasser aus den Kathoden geblasen und damit das Wasser an den Kathoden reduziert.As a second medium-term countermeasure, the monitoring unit 16 can cause the compressor 3 to ensure an increased and/or pulsating cathode input current 21 into the fuel cell stack 2. This blows the water out of the cathodes and thus reduces the water on the cathodes.

Als am langsamsten greifende Gegenmaßnahme kann der Kathodeneingangstrom 21 eine geringere Feuchtigkeit aufweisen. Hierdurch wird zum einen die den Kathoden zugeführte Feuchtigkeit reduziert. Zugleich kann ein trockenerer Kathodeneintrittstrom 21 mehr Wasser aufnehmen, so dass das Wasser an den Kathoden auch verstärkt abtransportiert wird. Beides führt zu einer Reduktion des Wassers an den Kathoden. Um die Feuchtigkeit des Kathodeneintrittstromes 21 zu reduzieren, veranlasst die Überwachungseinheit 16 eine Öffnung oder eine stärkere Öffnung des Bypassventils 6.As the slowest countermeasure, the cathode input stream 21 may have lower moisture. On the one hand, this reduces the moisture supplied to the cathodes. At the same time, a drier cathode inlet stream 21 can absorb more water, so that the water at the cathodes is also increasingly transported away. Both lead to a reduction of water on the cathodes. In order to reduce the moisture in the cathode inlet stream 21, the monitoring unit 16 causes the bypass valve 6 to open or open more.

Der Wassergehalt an Anoden des Brennstoffzellenstapel 2 kann durch die Öffnung des Auslassventils 8 verringert werden, wobei der Anodenstrom, der durch die Rezirkulation bereits Wasser aufgenommen hat, das Brennstoffzellensystem 1 verlässt und neuer, trockener Wasserstoff durch das Einlassventil 7 nachströmt. Hierdurch verringert sich der Wassergehalt an den Anoden, so dass ein höheres Konzentrationsgefälle entsteht. Dadurch kann Wasser von den Kathoden zu den Anoden diffundieren. Hierdurch wird ebenfalls das Wasser an den Kathoden reduziert. Übertragungsleitungen der einzelnen Komponenten zu der Überwachungseinheit 16 sind in 2 mit dem Bezugszeichen 40 versehen.The water content of the anodes of the fuel cell stack 2 can be reduced by opening the outlet valve 8, with the anode stream, which has already absorbed water through recirculation, leaving the fuel cell system 1 and new, dry hydrogen flowing in through the inlet valve 7. This reduces the water content at the anodes, creating a higher concentration gradient. This allows water to diffuse from the cathodes to the anodes. This also reduces the water on the cathodes. Transmission lines from the individual components to the monitoring unit 16 are in 2 provided with the reference number 40.

Claims

Method for preventing any damage to at least one fuel cell when at least one catalyst layer of the fuel cell is flooded, the fuel cell being arranged in a fuel cell stack (2) of a fuel cell system (1), characterized in that the method has the following steps: I. Ensure a sufficient supply of the fuel cell stack (2) with a fuel and an oxidizing agent even in the event of an increase in a load (12, 13, 14) II. Short-term increase in the load (12, 13, 14) of the fuel cell system (1) III. Measuring an electrical voltage (U) of the fuel cell stack (2) IV. Detecting flooding when the electrical voltage (U) is below a limit value (Y) after increasing the load (12, 13, 14). V. When flooding is detected has been reduced, reducing water on the catalyst layer to prevent any damage

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the limit value (Y) in step IV is variable and in particular the electrical voltage (U) after increasing the load (12, 13, 14) is below a previously measured permissible characteristic curve range (Z).

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that in step II. the load is increased by switching on at least one switchable consumer (13, 14), in particular an accumulator (14) or a heater (13).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that Fuel cell system (1) is transferred from partial load operation to full load operation in step II.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step V. the power of the fuel cell stack (2) is reduced to reduce water.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step V. to reduce water, a cathode inlet stream (21) is increased and/or supplied to the fuel cell stack (2) in a pulsating manner.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step V. for reducing water, a cathode inlet stream (21) has a reduced moisture, the reduced moisture resulting in particular from passing a humidifier (4).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step V. to reduce water, the moisture of an anode stream (20) is reduced, in particular by opening an outlet valve (8).

Fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2), wherein the fuel cell system (1) has at least one switchable consumer (13, 14), and wherein a voltage measuring device (11) for measuring the electrical voltage (U) of the fuel cell stack (2) in the Fuel cell system (1) is arranged, characterized in that a monitoring unit (16) is provided in the fuel cell system (1), which causes the consumer (13, 14) to check for possible flooding of at least one catalyst layer of at least one fuel cell of the fuel cell stack for a short time is switched on and, if the electrical voltage (U) then drops below a limit value (Y), causes water to be reduced on the catalyst layer.

Fuel cell system (1). Claim 9 , characterized in that it uses a method of Claims 1 until 8th is operable.