DE102011114731A1 - Method for drying a fuel cell - Google Patents

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Markus Handgrätinger
Oliver Harr
Philipp Hausmann
Matthias Jesse
Miriam Kemm
Wilfried Marx
Armin Mütschele
Holger Richter
Klaus Scherrbacher
Christian Schmidt
Cosimo Mazotta
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Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle (3) in einem Brennstoffzellensystem (1), welches einen elektrischen Energiespeicher (9) umfasst, wobei zum Trocknen der Brennstoffzelle (3) die Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur betrieben wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur im Stillstand des Brennstoffzellensystems (1) mit elektrischer Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (9) gestartet wird, sobald eine gemessene Temperatur unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt.The invention relates to a method for drying a fuel cell (3) in a fuel cell system (1) which comprises an electrical energy store (9), wherein the fuel cell (3) is operated as an electrolyzer for drying the fuel cell (3). The invention is characterized in that the operation of the fuel cell (3) as an electrolyzer at standstill of the fuel cell system (1) with electric power from the electrical energy store (9) is started as soon as a measured temperature falls below a predetermined limit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle mit den im Oberbegriff von Patentanspruch 1 näher definierten Merkmalen. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for drying a fuel cell with the features defined in greater detail in the preamble of claim 1. Moreover, the invention relates to the use of such a method.

Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere beim Einsatz von PEM-Brennstoffzellen ist es allgemein bekannt und üblich, dass diese für einen Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts während der Abschaltphase getrocknet werden müssen, um ein Einfrieren zu verhindern und für den Wiederstart ideale Bedingungen zu schaffen.Fuel cells or fuel cell systems are known from the general state of the art. In particular, in the use of PEM fuel cells, it is well known and common that they must be dried to start at temperatures below freezing during the shutdown phase to prevent freezing and to create ideal conditions for re-start.

Gängige Trocknungsmethoden nutzen dabei die Wasseraufnahmefähigkeit von trockenem beziehungsweise untersättigtem Gas, beispielsweise von Spülluft, um Wasser in die Dampfphase zu bringen und aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen. Ein Nachteil bei dieser Methode ist die Abhängigkeit der Wirksamkeit von der Wasserdampfkurve. Bei niedrigen Temperaturen kann ein unbefeuchtetes oder untersättigtes Gas nur sehr geringe Wasserdampfmengen aufnehmen, bis der Sättigungsdampfdruck erreicht ist. Bei solchen Bedingungen ergibt sich eine kritische Abschalttemperatur, die erreicht werden muss, um den für den Gefrierstart notwendigen Wasserhaushalt sicher einstellen zu können. Um dies zu bewerkstelligen, muss entweder diese kritische Temperatur erzwungen werden, beispielsweise durch einen verzögerten Start oder einen vergleichsweise langen Betrieb nach der Abschaltung des Fahrzeugs, oder es muss ein entsprechend großer Gasstrom eingesetzt werden, was energieintensiv ist und vergleichsweise große Lärmemissionen verursacht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nicht vorhersehbar ist, ob ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise in einem Fahrzeug, beim nächsten Start eingefroren sein wird oder ob der Start bereits nach so kurzer Zeit oder bei ausreichend hoher Temperatur wieder erfolgt, dass ein Einfrieren nicht zu befürchten ist. Dadurch wird die Brennstoffzelle typischerweise viel zu häufig auf einen Gefrierstart vorbereitet, ohne dass dies notwendig ist. Dies ist mit einem hohen Energie- und Zeitaufwand verbunden und verursacht insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug häufig unerwünschte Verhaltensweisen für den Fahrer, wie beispielsweise ein langes Nachlaufen des Systems oder dergleichen.Common drying methods use the water absorption capacity of dry or undersatured gas, for example scavenging air, to bring water into the vapor phase and discharge it from the fuel cell system. A disadvantage of this method is the dependence of the effectiveness of the steam curve. At low temperatures, a non-humidified or undersaturated gas can only absorb very small amounts of water vapor until the saturation vapor pressure is reached. In such conditions, a critical shutdown temperature results, which must be achieved in order to set the necessary for the freeze start water balance safely. To accomplish this, either this critical temperature must be enforced, for example, by a delayed start or a comparatively long operation after the shutdown of the vehicle, or it must be a correspondingly large gas flow can be used, which is energy intensive and causes relatively high noise emissions. Another disadvantage is that it is unpredictable whether a fuel cell system, for example in a vehicle, will be frozen at the next start or whether the start takes place again after such a short time or at a sufficiently high temperature that freezing is not to be feared , As a result, the fuel cell is typically prepared for freeze start much too often without this being necessary. This is associated with a high expenditure of energy and time and, in particular when used in a vehicle, frequently causes unwanted behavior for the driver, such as a long run-down of the system or the like.

Aus dem Stand der Technik beispielsweise in Form der US 2003/0068544 A1 ist es nun bekannt, dass Brennstoffzellen sowohl als Brennstoffzelle in einem Stromerzeugungsmodus betrieben werden können als auch bei elektrischer Umpolung als Elektrolyseur verwendet werden können. In diesem Fall wird elektrische Leistung in die Brennstoffzelle eingespeist. Diese verwandelt in der Brennstoffzelle vorhandenes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, welche dann gasförmig in dem Anodenbeziehungsweise Kathodenraum vorliegen.From the prior art, for example in the form of US 2003/0068544 A1 It is now known that fuel cells can both be operated as a fuel cell in a power generation mode and can be used as an electrolyzer in electrical reversal. In this case, electric power is fed into the fuel cell. This converts water present in the fuel cell into hydrogen and oxygen, which are then present in gaseous form in the anode or cathode space.

Eine solche Verwendung der Brennstoffzelle als Elektrolyseur lässt sich nun einsetzen, um die Brennstoffzelle beispielsweise nach dem Abstellen der Brennstoffzelle zu trocknen. Hierzu soll auf die JP 2004-311348 A verwiesen werden, welche ein solches Trocknen eines Brennstoffzellenstapels durch dessen Betrieb als Elektrolyseur im Rahmen einer Abschaltprozedur für das Brennstoffzellensystem zeigt. Die Energie stammt dabei aus einer Batterie oder einem anderen elektrischen Energiespeicher. Insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ist typischerweise eine Batterie, welche normalerweise auf einem vergleichbaren Spannungsniveau wie die Brennstoffzelle selbst arbeitet, vorhanden, um dynamische Spitzen auszugleichen und beim Abbremsen des Fahrzeugs auftretende Energie einzuspeichern. Diese Batterie ermöglicht damit den Betrieb der Brennstoffzelle als Elektrolyseur. Allerdings ist ein solcher Betrieb vergleichsweise energieaufwändig und belastet die Brennstoffzelle. Wird er daher, wie in der japanischen Schrift genannt, in jeder Abschaltprozedur eingesetzt, so wird vergleichsweise viel Energie benötigt und die Lebensdauer der Brennstoffzelle kann unter solch häufigen Abschaltprozeduren leiden.Such use of the fuel cell as an electrolyzer can now be used to dry the fuel cell, for example, after stopping the fuel cell. This should be on the JP 2004-311348 A which shows such a drying of a fuel cell stack by its operation as an electrolyzer in the context of a shutdown procedure for the fuel cell system. The energy comes from a battery or other electrical energy storage. In particular, when fuel cell systems are used in vehicles, a battery, which normally operates at a voltage level comparable to that of the fuel cell itself, is typically present to compensate for dynamic spikes and to store energy occurring when the vehicle is decelerated. This battery thus enables the operation of the fuel cell as an electrolyzer. However, such an operation is comparatively energy-intensive and pollutes the fuel cell. Therefore, if it is used in each shut-off procedure as mentioned in Japanese Script, comparatively much energy is required and the lifetime of the fuel cell may suffer from such frequent shutdown procedures.

Als Alternative hierzu kann beispielsweise die US 2004/0013915 A1 gesehen werden. Diese beschreibt ein Auftauen eines Brennstoffzellenstapels bei einem Gefrierstart. Falls das Brennstoffzellensystem bei Temperaturen gestartet wird, bei welchen ein gefrorenes Brennstoffzellensystem zu befürchten ist, wird vor dem eigentlichen Start der Betrieb der Brennstoffzelle als Elektrolyseur gestartet. Dieser Betrieb taut dann das in dem Brennstoffzellenstapel gefrorene Wasser auf und ermöglicht nach abgeschlossenem Auftauen einen Start des Brennstoffzellensystems. Dabei wird auch vorgeschlagen, abwechselnd zwischen dem Elektrolysemodus und dem Brennstoffzellenmodus hin und her zu schalten, um den Start weiter zu verkürzen. Allerdings entsteht hierbei immer das Problem, dass der Start eine vergleichsweise lange Zeit benötigt, nämlich so lange, bis die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems aufgetaut ist. Die Lösung kann einen Gefrierstart des Brennstoffzellensystems nicht wesentlich verkürzen, sondern stellt lediglich eine alternative Möglichkeit zum Auftauen der Brennstoffzelle dar.As an alternative, for example, the US 2004/0013915 A1 be seen. This describes a thawing of a fuel cell stack during a freeze start. If the fuel cell system is started at temperatures at which a frozen fuel cell system is to be feared, the operation of the fuel cell is started as an electrolyzer before the actual start. This operation thaws then the frozen in the fuel cell stack water and allows after completion of thawing a start of the fuel cell system. It is also proposed to alternately switch between the electrolysis mode and the fuel cell mode back and forth to further shorten the start. However, this always creates the problem that the start takes a comparatively long time, namely, until the fuel cell of the fuel cell system is thawed. The solution can not significantly shorten a freeze start of the fuel cell system, but merely provides an alternative way of defrosting the fuel cell.

Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die DE 10 2007 052 148 A1 verwiesen werden. Diese beschreibt eine Gaszufuhr, welche aus der Elektrolyse einer Brennstoffzelle stammen kann, um Verunreinigungen aus der Brennstoffzelle auszutreiben. Das Verfahren wird dabei typischerweise im Stillstand des Brennstoffzellensystems betrieben, um das Eindringen von Luft auf der Anodenseite der Brennstoffzelle zu verhindern und so bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems eine Wasserstoff/Sauerstoff-Front, welche durch den Anodenraum läuft, zu verhindern, da eine solche Wasserstoff/Sauerstoff-Front die Lebensdauer der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst.For further general state of the art should also on the DE 10 2007 052 148 A1 to get expelled. This describes a gas supply, which may originate from the electrolysis of a fuel cell to impurities from the Drive out fuel cell. The method is typically operated at a standstill of the fuel cell system in order to prevent the ingress of air on the anode side of the fuel cell and thus to prevent a hydrogen / oxygen front, which runs through the anode space at a restart of the fuel cell system, since such hydrogen / Oxygen front adversely affects the life of the fuel cell.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches die Brennstoffzelle energieeffizient und schonend auf einen Gefrierstart vorbereitet, ohne dass im Falle eines Gefrierstarts Zeit zum Auftauen des Brennstoffzellensystems verloren geht.The object of the present invention is now to provide a method for drying a fuel cell of a fuel cell system, which prepares the fuel cell energy-efficient and gentle on a freeze start without time is lost in the case of a freeze to thaw the fuel cell system.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist die bevorzugte Verwendung eines solchen Verfahrens angegeben.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments and refinements of the method according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims. In addition, the preferred use of such a method is indicated.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass der Betrieb der Brennstoffzelle als Elektrolyseur im Stillstand des Brennstoffzellensystems mit elektrischer Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher gestartet wird, sobald eine gemessene Temperatur unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Anders als im Stand der Technik wird das Trocknen der Brennstoffzelle also nicht bei jedem Abstellen des Systems oder erst vor dem Wiederstart gestartet, sondern der Betrieb als Elektrolyseur zum Trocknen der Brennstoffzelle wird temperaturabhängig in der Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems gestartet. Damit ist eine Vorkonditionierung des Brennstoffzellensystems auf einen eventuellen Wiederstart unter Gefrierbedingungen möglich. Diese Vorkonditionierung erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur immer nur dann, wenn die Temperatur soweit abfällt, dass mit einem weiteren Temperaturabfall zu rechnen ist, welcher zu Bedingungen führt, bei denen das Brennstoffzellensystem über einen Gefrierstart wieder gestartet werden muss. Kommt es dagegen zu keinem Temperaturabfall unter einen kritischen vorgegebenen Temperaturwert, dann verbleibt das Brennstoffzellensystem ohne aufwändiges Trocknen. Somit wird Energie eingespart. Dadurch, dass das Trocknen der Brennstoffzelle nicht unnötig oft erfolgt, werden die Membranen geschont und es lässt sich eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle erzielen. Außerdem kann die zum Trocknen der Brennstoffzelle benötigte Energie über die gesamte Lebensdauer der Brennstoffzelle hinweg entscheidend minimiert werden, da beispielsweise beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug in Mitteleuropa lediglich in einigen Monaten des Jahres mit der Notwendigkeit eines Gefrierstarts gerechnet werden muss, während in den anderen Monaten eine solche typischerweise nicht auftritt. Wird das Brennstoffzellensystem nicht jedes Mal für einen solchen Gefrierstart vorbereitet, sondern nur dann aktiv aufgeweckt und auf einen Gefrierstart vorbereitet, wenn die Temperatur unter einen vorgegebenen kritischen Wert fällt, dann kann insgesamt in sehr vielen Fällen auf die energieintensive Vorbereitung auf einen Gefrierstart verzichtet werden. Dennoch kann das Brennstoffzellensystem immer zuverlässig und schnell gestartet werden, egal welche Bedingungen vorliegen.In the method according to the invention, it is provided that the operation of the fuel cell is started as an electrolyzer at standstill of the fuel cell system with electrical power from the electrical energy storage as soon as a measured temperature falls below a predetermined limit. Unlike in the prior art, the drying of the fuel cell is therefore not started every time the system is switched off or before the restart, but the operation as an electrolyzer for drying the fuel cell is started depending on the temperature in the standstill phase of the fuel cell system. This preconditioning of the fuel cell system is possible for a possible restart under freezing conditions. This preconditioning always takes place as a function of the temperature only when the temperature drops so far that a further drop in temperature is expected, which leads to conditions in which the fuel cell system must be restarted via a freeze start. Conversely, if there is no temperature drop below a critical predetermined temperature value, then the fuel cell system remains without elaborate drying. Thus, energy is saved. The fact that the drying of the fuel cell is not unnecessarily often, the membranes are spared and it can achieve a longer life of the fuel cell. In addition, the energy required to dry the fuel cell over the lifetime of the fuel cell can be decisively minimized, since, for example, when using the fuel cell system in a vehicle in Central Europe, the need for a freeze start must be expected only in a few months of the year, while in the other Months such a typically does not occur. If the fuel cell system is not prepared each time for such a freeze start, but only actively woken up and prepared for a freeze start when the temperature falls below a predetermined critical value, then all in all, the energy-intensive preparation for a freeze start can be dispensed with. Nevertheless, the fuel cell system can always be started reliably and quickly, no matter what conditions exist.

Ein weiterer Vorteil der Trocknung der Brennstoffzelle über ihre Verwendung als Elektrolyseur besteht darin, dass keine flüssige Feuchtigkeit aus dem Bereich der Brennstoffzelle ausgetragen werden muss, sondern allenfalls Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff sowie aufgrund der Erwärmung der Brennstoffzelle bei ihrer Verwendung als Elektrolyseur gegebenenfalls Wasserdampf. Diese gasförmigen Stoffe lassen sich im Zweifelsfall sehr viel leichter und mit weniger Energieaufwand aus dem Bereich der Brennstoffzelle austragen, als flüssiges Wasser.Another advantage of drying the fuel cell over its use as an electrolyzer is that no liquid moisture must be discharged from the area of the fuel cell, but at best gases such as hydrogen and oxygen as well as due to the heating of the fuel cell when used as an electrolyzer optionally water vapor. In case of doubt, these gaseous substances can be discharged from the area of the fuel cell much more easily and with less energy expenditure than liquid water.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem eine Anodenrezirkulation mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung aufweist, wobei die Rezirkulationsfördereinrichtung während des Trocknens der Brennstoffzelle betrieben wird. Die Verwendung einer sogenannten Anodenrezirkulation mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung ist bei Brennstoffzellen allgemein bekannt und üblich. Mit einer solchen Anodenrezirkulation werden Abgase aus dem Bereich der Anode abgeführt und über eine Rezirkulationsfördereinrichtung zusammen mit frischem Gas der Anode wieder zugeführt. Dies dient dazu, dass die Anode mit einem Wasserstoffüberschuss betrieben werden kann, um die gesamte zur Verfügung stehende aktive Fläche der Anode im Betrieb ideal auszunutzen. Eine solche Rezirkulationsfördereinrichtung kann dann während des Trocknens der Brennstoffzelle durch ihren Betrieb als Elektrolyseur ebenfalls betrieben werden, um Wasser aus dem Bereich der Anodenrezirkulation in den Anodenraum einzutragen, sodass dieses elektrolysiert werden kann und außerdem Wasserstoff und Wasserdampf gleichmäßig im Bereich der Anodenrezirkulation zu verteilen, um hier möglichst homogene Konzentrationsverhältnisse zu schaffen, welche dann insbesondere für einen Wiederstart des Brennstoffzellensystems von entscheidendem Vorteil sind, da eine Sauerstoff/Wasserstoff-Front, welche über den Katalysator des Anodenraums wandert, allgemein als schädigend betrachtet wird und die Lebensdauer der Brennstoffzelle negativ beeinflusst. Eine solche kann hier vermieden werden.In an advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the fuel cell system has an anode recirculation with a recirculation conveyor, wherein the recirculation conveyor is operated during the drying of the fuel cell. The use of so-called anode recirculation with a recirculation conveyor is well known and common in fuel cells. With such an anode recirculation, exhaust gases are removed from the region of the anode and fed back to the anode via a recirculation conveyor together with fresh gas. This is to allow the anode to operate with an excess of hydrogen to make the most of the available active area of the anode during operation. Such a recirculation conveyor can then also be operated during the drying of the fuel cell by its operation as an electrolyzer to enter water from the area of the anode recirculation in the anode compartment, so that it can be electrolyzed and also to distribute hydrogen and water vapor evenly in the field of anode recirculation Here to create the most homogeneous concentration ratios, which are then in particular for a restart of the fuel cell system of decisive advantage, since an oxygen / hydrogen front, which migrates across the catalyst of the anode compartment, is generally considered harmful and negatively affects the life of the fuel cell. Such can be avoided here.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass der Betrieb der Brennstoffzelle als Elektrolyseur in Abhängigkeit der Ladekapazität des elektrischen Energiespeichers erfolgt, wobei unterhalb einer vorgegebenen Ladekapazität das Trocknen abgebrochen oder gar nicht erst gestartet wird. Da zum Trocknen typischerweise die Energie des elektrischen Energiespeichers verwendet wird, welcher beispielsweise als Hochvoltbatterie oder durch Kondensatoren mit vergleichbarer Spannung wie die Brennstoffzelle ausgebildet sein kann, ist es notwendig, dass eine ausreichende Ladekapazität des Speichers vorhanden ist, um beispielsweise das System wieder zu starten. Diese darf nicht durch eine Vorkonditionierung und das Trocknen der Brennstoffzelle so weit reduziert werden, dass ein Systemstart später nicht mehr möglich ist. In diesem Fall wird das Trocknen vorsichtshalber abgebrochen oder bei zu geringer Energie in dem elektrischen Energiespeicher gar nicht erst gestartet. Gegenüber dem Trocknen der Brennstoffzelle hat also der Energieerhalt in einer solchen Höhe, dass ein Wiederstart des Brennstoffzellensystems möglich ist, in jedem Fall Vorrang. In a further very favorable and advantageous embodiment of the method according to the invention, it is also provided that the operation of the fuel cell takes place as an electrolyzer depending on the charge capacity of the electrical energy storage, wherein below a predetermined charging capacity, the drying is stopped or not even started. Since the energy of the electric energy storage is typically used for drying, which may be formed, for example, as a high-voltage battery or capacitors with comparable voltage as the fuel cell, it is necessary that a sufficient storage capacity of the memory is present, for example, to restart the system. This must not be reduced to such an extent by preconditioning and drying the fuel cell that it is no longer possible to start the system later. In this case, the drying is canceled as a precaution or not started at too low energy in the electrical energy storage. Compared to the drying of the fuel cell so the energy conservation in such a height that a restart of the fuel cell system is possible, in any case priority.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei besonders gut geeignet, um in Brennstoffzellensystemen eingesetzt zu werden, welche häufig Bedingungen ausgesetzt sind, in denen sie bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts abgestellt oder nach dem Abstellen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts bis zu einem Wiederstart ausharren müssen. Eine besonders bevorzugte Verwendung ist daher bei Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen gegeben, welche über die Brennstoffzellensysteme mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden. Insbesondere bei Fahrzeugen kommt es häufig vor, dass diese abgestellt werden und dass der Wiederstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erforderlich ist. Insbesondere dann ist das erfindungsgemäße Verfahren von besonderem Vorteil und kann, anders als die Verfahren gemäß dem Stand der Technik, sehr zeit- und energieoptimiert den Wiederstart des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des mit ihm ausgestatteten Fahrzeugs ermöglichen.The inventive method is particularly well suited to be used in fuel cell systems, which are often exposed to conditions in which they must be turned off at temperatures below freezing or must remain after stopping at temperatures below freezing to a restart. A particularly preferred use is therefore given in fuel cell system in vehicles, which are supplied via the fuel cell systems with electric drive power. Especially with vehicles, it often happens that these are turned off and that the restart is required at temperatures below freezing. In particular, the method according to the invention is of particular advantage and, unlike the methods according to the prior art, can enable the re-start of the fuel cell system or of the vehicle equipped with it very time and energy-optimized.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figure.

Die einzige beigefügte Figur zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug in stark schematisierter Darstellung.The sole attached figure shows an exemplary fuel cell system in a vehicle in a highly schematic representation.

In der Darstellung der einzigen beigefügten Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 liefert über eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein soll, über elektrische Leitungen 4 und eine Leistungselektronik 5 elektrische Energie an einen elektrischen Fahrmotor 6, welcher über eine hier beispielhaft angetriebene Achse 7 Räder 8 des Fahrzeugs antreibt. Außerdem verfügt das Fahrzeug 2 über eine Batterie 9, welche vorzugsweise als Hochvoltbatterie und/oder Kondensatorschaltung mit einer vergleichbaren Spannung wie die Brennstoffzelle ausgebildet ist. Kommt es zu einem Abbremsen des Fahrzeugs 2, so kann Energie durch den generatorischen Betrieb des elektrischen Fahrmotors 6 zurückgewonnen werden. Diese Energie kann in der Batterie 9 gespeichert werden. Die Batterie 9 ist hierfür mit der Leistungselektronik 5 verbunden.In the illustration of the single attached figure is a fuel cell system 1 in an indicated vehicle 2 to recognize. The fuel cell system 1 delivers via a fuel cell 3 , which should be designed as a stack of PEM fuel cells, via electrical lines 4 and power electronics 5 electrical energy to an electric traction motor 6 , Which via an example here driven axle 7 bikes 8th of the vehicle drives. In addition, the vehicle has 2 over a battery 9 , which is preferably designed as a high-voltage battery and / or capacitor circuit with a comparable voltage as the fuel cell. Does it come to a deceleration of the vehicle 2 , so can energy through the generator operation of the electric drive motor 6 be recovered. This energy can be in the battery 9 get saved. The battery 9 is this with the power electronics 5 connected.

Im regulären Betrieb erzeugt die Brennstoffzelle 3 in an sich bekannter Art und Weise die elektrische Leistung, indem einem Kathodenraum 10 der Brennstoffzelle 3 Luft über eine Luftfördereinrichtung 11 zugeführt wird. Gleichzeitig wird einem Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 3 Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 13 über eine Ventileinrichtung 14 zugeführt. Dabei wird dem Anodenraum 12 typischerweise mehr Wasserstoff zugeführt, als in diesem umgesetzt werden kann, um die zur Verfügung stehende aktive Fläche ideal ausnutzen zu können. Der Restwasserstoff wird dann über eine Rezirkulationsleitung 15 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 16 zum Eingang des Anodenraums 2 zurückgeführt und dort vermischt mit frischem Wasserstoff diesem wieder zugeführt. Da sich in dieser sogenannten Anodenrezirkulation mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern, weist diese außerdem ein Ablassventil 17 auf, welches dazu dient, beispielsweise von Zeit zu Zeit Wasser und Gas aus der Anodenrezirkulation abzulassen und beispielsweise dem Zuluftstrom zum Kathodenraum 10 zuzuführen. Das Abgas aus dem Kathodenraum 10 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Es könnte prinzipiell auch über einen Expander beziehungsweise eine Turbine und/oder eine Nachverbrennung an die Umgebung gelangen.In regular operation, the fuel cell generates 3 in a manner known per se, the electrical power by a cathode compartment 10 the fuel cell 3 Air via an air conveyor 11 is supplied. At the same time an anode room 12 the fuel cell 3 Hydrogen from a compressed gas storage 13 via a valve device 14 fed. This is the anode space 12 typically more hydrogen is supplied than can be converted into it in order to be able to make the best use of the available active area. The residual hydrogen is then passed through a recirculation line 15 and a recirculation conveyor 16 to the entrance of the anode compartment 2 recycled and mixed there with fresh hydrogen supplied to this again. As accumulate in this so-called anode recirculation with time inert gases and water, this also has a drain valve 17 on, which serves, for example, from time to time drain water and gas from the anode recirculation and, for example, the supply air flow to the cathode compartment 10 supply. The exhaust gas from the cathode compartment 10 arrives in the embodiment shown here to the environment. In principle, it would also be possible to reach the environment via an expander or a turbine and / or afterburning.

Wird das Brennstoffzellensystem 1 nun aus dem regulären Betrieb heraus abgestellt, so befindet sich weiterhin Wasser im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 und hier insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle 3. Dieses Wasser, welches teilweise flüssig und teilweise dampfförmig vorliegt, wird typischerweise im Bereich der Brennstoffzelle 3 auskondensieren und in diesem Bereich verbleiben. Bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 ist dies immer dann kritisch, wenn der Wiederstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgt und dieses Wasser eingefroren ist. Um das Brennstoffzellensystem 1 nun möglichst energieeffizient in einen Zustand zu bringen, in dem ein schneller Wiederstart möglich ist, sollte das Brennstoffzellensystem 1 bei Bedarf getrocknet werden. Hierfür ist im Bereich der Brennstoffzelle 3 ein Temperatursensor 18 vorgesehen, über welchen die Temperatur fortlaufend gemessen und einem Steuergerät 19 übermittelt wird. Das Steuergerät 19 kann die fortlaufend gemessene Temperatur entsprechend überwachen. Kommt es nun im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 zu einem Temperaturabfall unter einen vorgegebenen Temperaturwert, welcher typischerweise bei 5–10°C festgelegt wird, dann wird das Steuergerät 19 das Brennstoffzellensystem 1 „aufwecken” und eine Trocknung des Brennstoffzellensystems 1 durchführen. Hierfür wird die Bakterie 9 in umgekehrter Polung, wofür ein angedeuteter Schalter 20 von dem Steuergerät 19 umgeschaltet wird, mit der Brennstoffzelle 3 verbunden. Durch die umgedrehte Polung der elektrischen Verbindung wird die Brennstoffzelle 3 als Elektrolyseur betrieben und das in ihr befindliche Wasser wird durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt. Da Wasserstoff und Sauerstoff hinsichtlich eines Einfrierens unkritisch sind, können diese im Bereich der Brennstoffzelle 3 verbleiben. Es wäre auch denkbar, beispielsweise die Rezirkulationsfördereinrichtung 16 zu betreiben, um insbesondere im Bereich der Anodenrezirkulation und des Anodenraums 12 eine möglichst homogene Konzentration an Wasserstoff zu erzeugen und das Gemisch aus in der Rezirkulationsleitung 15 verbliebenen Restgasen und Wasserstoff möglichst gleichmäßig zu verteilen. Außerdem würde bei dieser Gelegenheit im Bereich der Rezirkulationsleitung 15 befindliches Wasser in den Bereich des Anodenraums 12 gefördert und könnte dort ebenfalls durch Elektrolyse umgesetzt werden, sodass nicht nur die Brennstoffzelle 3 selbst, sondern auch die Anodenrezirkulation mit getrocknet werden kann. Alternativ dazu wäre es auch möglich, über das Ablassventil 17 eine Spülung der Anodenrezirkulation und des Anodenraums 12 vorzunehmen.Will the fuel cell system 1 now turned off from normal operation, so there is still water in the area of the fuel cell system 1 and here in particular in the field of fuel cells 3 , This water, which is partly liquid and partially vaporous, is typically in the range of the fuel cell 3 condense and remain in this area. At a restart of the fuel cell system 1 This is always critical if the restart is at temperatures below freezing and this water is frozen. To the fuel cell system 1 now as energy efficient as possible to bring a state in which a faster Restart is possible, the fuel cell system should be 1 be dried if necessary. For this purpose is in the field of fuel cell 3 a temperature sensor 18 provided, via which the temperature continuously measured and a control unit 19 is transmitted. The control unit 19 can monitor the continuously measured temperature accordingly. Is it now at standstill of the fuel cell system 1 to a temperature drop below a predetermined temperature value, which is typically set at 5-10 ° C, then the controller 19 the fuel cell system 1 "Wake up" and drying the fuel cell system 1 carry out. This is the bacterium 9 in reverse polarity, for which an indicated switch 20 from the controller 19 is switched with the fuel cell 3 connected. The reverse polarity of the electrical connection turns the fuel cell 3 operated as an electrolyzer and the water contained in it is converted by electrolysis into hydrogen and oxygen. Since hydrogen and oxygen are not critical with regard to freezing, they can be used in the area of the fuel cell 3 remain. It would also be conceivable, for example, the recirculation conveyor 16 to operate, in particular in the field of anode recirculation and anode space 12 To generate a homogeneous concentration of hydrogen and the mixture of in the recirculation line 15 remaining residual gases and hydrogen as evenly as possible to distribute. In addition, on this occasion would be in the field of recirculation 15 water in the area of the anode compartment 12 promoted and could also be implemented there by electrolysis, so not only the fuel cell 3 itself, but also the anode recirculation can be dried with. Alternatively, it would also be possible via the drain valve 17 a rinse of the anode recirculation and the anode compartment 12 make.

Für den Kathodenraum 10 gilt im Wesentlichen dasselbe. Der Sauerstoff kann prinzipiell im Bereich des Kathodenraums verbleiben und wird dann typischerweise im Laufe der Zeit durch Diffusion aus diesem austreten. Alternativ oder ergänzend hierzu wäre es auch möglich, beispielsweise durch einen kurzzeitigen Betrieb der Luftfördereinrichtung 11 das Gas aus dem Kathodenraum 10 auszuspülen. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn bei der Elektrolyse aufgrund der entstehenden Wärme zusätzlich Wasserdampf entsteht und die Gefahr besteht, dass dieser Wasserdampf wieder auskondensiert und sich im Bereich des Kathodenraums 10 niederschlägt. Ergänzend könnte eine optionale Ventileinrichtung 21 geöffnet werden, um bei ebenfalls geöffnetem Ablassventil 17 analog dazu den Anodenraum 12 ebenfalls zu spülen.For the cathode compartment 10 essentially the same applies. The oxygen can in principle remain in the region of the cathode space and will then typically emerge from this by diffusion over time. Alternatively or additionally, it would also be possible, for example, by a brief operation of the air conveyor 11 the gas from the cathode compartment 10 rinse. This is particularly useful if in the electrolysis due to the heat generated in addition to water vapor and there is a risk that this water vapor condenses out again and in the region of the cathode compartment 10 reflected. In addition, an optional valve device could 21 be opened to open with also open drain valve 17 analogous to the anode compartment 12 also to rinse.

Alles in allem entsteht so ein Brennstoffzellensystem 1, welches immer nur dann durch Elektrolyse getrocknet wird, wenn aufgrund der Temperatur im Bereich des Temperatursensors 18 der Bedarf hierzu besteht. Besteht dieser nicht, wird auf den vergleichsweise energieaufwändigen Vorgang der Trocknung gänzlich verzichtet, sodass insgesamt ein sehr energieeffizientes System entsteht. Außerdem belastet jede Trocknung die Membranen der Brennstoffzelle 3, sodass unnötig durchgeführte Trocknungen auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle 3 nachteilig beeinflussen. Ein Verzicht auf unnötige Trocknungen, wie er durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann, hat daher auch hinsichtlich der Lebensdauer der Brennstoffzelle einen Vorteil.All in all, such a fuel cell system is created 1 , which is only then dried by electrolysis, if due to the temperature in the range of the temperature sensor 18 the need exists. If this is not the case, the relatively energy-intensive process of drying is completely dispensed with, so that overall a very energy-efficient system is created. In addition, any drying loads the membranes of the fuel cell 3 so that unnecessarily performed drying also extends the life of the fuel cell 3 adversely affect. A waiver of unnecessary drying, as can be realized by the inventive method, therefore, also has an advantage in terms of the life of the fuel cell.

Eine ideale und energieeffiziente Trocknung im Falle, dass die kritische Temperatur unterschritten wird und das Verfahren der Trocknung eingeleitet wird, sollte möglichst die benötigte Feuchtigkeit im Bereich der Membranen zwischen dem Anodenraum 12 und dem Kathodenraum 10 entsprechend einstellen und die restliche Wassermenge durch Elektrolyse aufbrauchen. Dies kann sehr einfach und effizient durch Zeittabellen erfolgen, wobei das Ergebnis typischerweise nicht exakt sein wird und so die Gefahr einer zu geringen oder zu starken Trocknung besteht. Deshalb kann die zu trocknende Wassermenge idealerweise über eine Simulation oder eine Modellbetrachtung vorausberechnet werden, wobei hier die Betriebsdaten des letzten Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 mit einfließen und beispielsweise gelieferte Leistungen und/oder zugeführte Eduktmengen zu der Brennstoffzelle 3 entsprechend berücksichtigt werden. Dies ermöglicht bereits eine genauere Vorhersage der Wassermenge und kann dann beispielsweise zeitgesteuert eine optimierte Trocknung auslösen. Alternativ oder ergänzend hierzu ist es auch möglich, die umgesetzte Wassermenge über verschiedene Messmethoden zu überwachen und zu regeln. Geeignete Messmethoden sind hier zum Beispiel die Impedanzspektroskopie, die Messung der Stromaufnahme oder die Messung eines Verlaufs der Stromaufnahme während des Elektrolysebetriebs der Brennstoffzelle 3. Außerdem können andere physikalische Vorgänge gemessen werden, beispielsweise indem der Druck im Anodenraum 12 oder dem Kathodenraum 10 oder eine Änderung des Drucks oder auch eine Konzentration beispielsweise an Wasserstoff oder an Sauerstoff entsprechend gemessen wird. Sobald über eine solche Messung erkannt wird, dass z. B. das Wasser in der Brennstoffzelle 3 weitgehend oder vollständig aufgebraucht ist, wird das Trocknen gestoppt.An ideal and energy-efficient drying in the event that the critical temperature is exceeded and the process of drying is initiated, if possible, the required moisture in the region of the membranes between the anode chamber 12 and the cathode compartment 10 adjust accordingly and use up the remaining amount of water by electrolysis. This can be done very easily and efficiently by time tables, the result typically will not be exact and so there is a risk of too low or too strong drying. Therefore, the amount of water to be dried can ideally be precalculated via a simulation or a model consideration, in which case the operating data of the last operation of the fuel cell system 1 with flow and, for example, delivered services and / or supplied Eduktmengen to the fuel cell 3 be considered accordingly. This already allows a more accurate prediction of the amount of water and then, for example, timed trigger an optimized drying. Alternatively or additionally, it is also possible to monitor and regulate the amount of water reacted by various measuring methods. Suitable measurement methods here are, for example, impedance spectroscopy, the measurement of the current consumption or the measurement of a course of the current consumption during the electrolysis operation of the fuel cell 3 , In addition, other physical processes can be measured, for example, by the pressure in the anode compartment 12 or the cathode compartment 10 or a change in pressure or a concentration, for example, of hydrogen or oxygen is measured accordingly. As soon as such a measurement is detected that z. B. the water in the fuel cell 3 is largely or completely used up, the drying is stopped.

Neben der Verwendung einer Hochvoltbatterie zur Durchführung der Elektrolyse wäre es prinzipiell auch denkbar, eine Niedervoltbatterie, beispielsweise eine Starterbatterie, entsprechend einzusetzen. Die Anzahl der in Elektrolyse betriebenen Zellen müsste dann entsprechend verringert werden oder über eine elektronische Umsetzung der niedrigen Spannung auf ein höheres Spannungsniveau müsste die benötigte Spannung zur Elektrolyse entsprechend bereitgestellt werden.In addition to the use of a high-voltage battery for carrying out the electrolysis, it would also be conceivable, in principle, a low-voltage battery, such as a starter battery accordingly use. The number of cells operated in electrolysis would then have to be correspondingly reduced or via an electronic conversion of the low voltage to a higher voltage level, the required voltage for electrolysis would have to be provided accordingly.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2003/0068544 A1 [0004] US 2003/0068544 A1 [0004]
  • JP 2004-311348 A [0005] JP 2004-311348 A [0005]
  • US 2004/0013915 A1 [0006] US 2004/0013915 A1 [0006]
  • DE 102007052148 A1 [0007] DE 102007052148 A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle (3) in einem Brennstoffzellensystem (1), welches einen elektrischen Energiespeicher (9) umfasst, wobei zum Trocknen der Brennstoffzelle (3) die Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur im Stillstand des Brennstoffzellensystems (1) mit elektrischer Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (9) gestartet wird, sobald eine gemessene Temperatur unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt.Method for drying a fuel cell ( 3 ) in a fuel cell system ( 1 ), which an electrical energy storage ( 9 ), wherein for drying the fuel cell ( 3 ) the fuel cell ( 3 ) is operated as an electrolyzer, characterized in that the operation of the fuel cell ( 3 ) as an electrolyzer at standstill of the fuel cell system ( 1 ) with electrical power from the electrical energy storage ( 9 ) is started as soon as a measured temperature falls below a predetermined limit. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert bei 5–10°C im Bereich der Brennstoffzelle (3) vorgegeben wird.A method according to claim 1, characterized in that the limit at 5-10 ° C in the fuel cell ( 3 ) is given. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Anodenrezirkulation mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung (16) aufweist, wobei die Rezirkulationsfördereinrichtung (16) während des Trocknens der Brennstoffzelle (3) betrieben wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cell system ( 1 ) an anode recirculation with a recirculation conveyor ( 16 ), wherein the recirculation conveyor ( 16 ) during drying of the fuel cell ( 3 ) is operated. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathodenraum (10) und/oder ein Anodenraum (12) der Brennstoffzelle (3) während des Trocknens zumindest zeitweise von einem Gasstrom, insbesondere einem Luftstrom, durchspült wird.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a cathode space ( 10 ) and / or an anode space ( 12 ) of the fuel cell ( 3 ) is at least temporarily purged by a gas stream, in particular an air stream, during drying. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur gestoppt wird, wenn eine vorgegebene Wassermenge umgesetzt ist, wobei die umzusetzende Wassermenge über Modellrechnungen ermittelt wird, in welche Betriebsdaten des Betriebs des Brennstoffzellensystems (1) vor dem Abstellen einfließen.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the operation of the fuel cell ( 3 ) is stopped as an electrolyzer when a predetermined amount of water is reacted, wherein the amount of water to be converted is determined by model calculations into which operating data of the operation of the fuel cell system ( 1 ) before parking. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur gestoppt wird, wenn eine vorgegebene Wassermenge umgesetzt ist, was mittels einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahren zumindest mittelbar bestimmt wird: – Impedanzspektroskopie; – Messung der Stromaufnahme oder einer zeitlichen Änderung hiervon; und/oder – Messung von wenigstens einem Druckwert in der Brennstoffzelle (3) oder einer zeitlichen Änderung hiervon.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the operation of the fuel cell ( 3 ) is stopped as an electrolyzer when a predetermined amount of water is reacted, which is at least indirectly determined by one or more of the following methods: - impedance spectroscopy; - Measurement of the current consumption or a temporal change thereof; and / or measuring at least one pressure value in the fuel cell ( 3 ) or a temporal change thereof. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur in Abhängigkeit einer vorgegebenen Zeit gestoppt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the operation of the fuel cell ( 3 ) is stopped as an electrolyzer in response to a predetermined time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur in Abhängigkeit einer Ladekapazität des elektrischen Energiespeichers (9) erfolgt, wobei unterhalb einer vorgegebenen Ladekapazität das Trocknen abgebrochen oder gar nicht erst gestartet wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the operation of the fuel cell ( 3 ) as an electrolyzer in dependence on a charge capacity of the electrical energy store ( 9 ) takes place, wherein below a predetermined loading capacity, the drying is stopped or not even started. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) als Stapel aus mehreren Einzelzellen aufgebaut ist, wobei lediglich einige der Einzelzellen der Brennstoffzelle (3) als Elektrolyseur zum Trocknen der Brennstoffzelle betrieben werden.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the fuel cell ( 3 ) is constructed as a stack of a plurality of individual cells, wherein only some of the individual cells of the fuel cell ( 3 ) are operated as an electrolyzer for drying the fuel cell. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Trocknen einer Brennstoffzelle (3) in einem Brennstoffzellensystem (1), welches in einem Fahrzeug (2) installiert ist und elektrische Antriebsenergie für das Fahrzeug (2) liefert.Use of a method according to one of claims 1 to 9 for drying a fuel cell ( 3 ) in a fuel cell system ( 1 ), which in a vehicle ( 2 ) and electrical drive power for the vehicle ( 2 ).
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