DE102013014959A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5) mit wenigstens einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel (6), welches über einen Strömungsverdichter (15) kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird, und welches über eine mit einem Systembypassventil (20) versehene Leitung (19) zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter (15) und der Abluftseite verfügt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (5) having at least one fuel cell stack (6) constructed from individual cells, which is supplied via a flow compressor (15) on the cathode side with air as the oxygen supplier, and which via a line provided with a system bypass valve (20) (19) between the supply air side after the flow compressor (15) and the exhaust side has. The invention is characterized in that the system bypass valve (20) is controlled or regulated as a function of the average voltage per individual cell of the fuel cell stack (6) so that a predetermined limit value of the average voltage is not exceeded.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to the use of such a method.

Brennstoffzellensysteme, insbesondere Brennstoffzellensysteme zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für Fahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig werden in derartigen Brennstoffzellensystemen zur Luftversorgung Strömungsmaschinen bzw. Strömungsverdichter eingesetzt, um die Brennstoffzelle kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant zu versorgen. Die Strömungsverdichter können in bevorzugter Art und Weise mit einer Turbine gekoppelt werden, so wie es beispielsweise in der DE 101 20 947 A1 beschrieben ist. Neben dem dort beschriebenen Freiläufer mit einem vorgeschalteten zweiten elektromotorisch angetriebenen Strömungsverdichter ist es auch denkbar und möglich, die Turbine, den Strömungsverdichter und die Elektromaschine zu einer Einheit zu kombinieren. Man spricht dann im allgemeinen Stand der Technik von einem sogenannten elektrischen Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger). Bei derartigen Aufbauten ist es, so wie es auch in der DE 101 20 947 A1 dargestellt ist, häufig üblich, eine Leitungsverbindung zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter und der Abluftseite, sofern vorhanden vor der Turbine, vorzusehen. Dieser sogenannte Systembypass ist mit einem Systembypassventil, oder einem Umblaseventil, wie es in der genannten DE-Schrift bezeichnet wird, versehen. Dies dient typischerweise dazu zu verhindern, dass der Strömungsverdichter seine Pumpgrenze überschreitet.Fuel cell systems, in particular fuel cell systems for providing electric drive power for vehicles, are known from the general state of the art. Frequently, flow machines or flow compressors are used in such fuel cell systems for supplying air to supply the fuel cell on the cathode side with air as an oxygen supplier. The flow compressors can be coupled in a preferred manner with a turbine, as for example in the DE 101 20 947 A1 is described. In addition to the freewheel described there with an upstream second electric motor driven flow compressor, it is also conceivable and possible to combine the turbine, the flow compressor and the electric machine into one unit. One then speaks in the general state of the art of a so-called electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). In such structures, it is, as well as in the DE 101 20 947 A1 is shown, it is common practice to provide a line connection between the supply side after the flow compressor and the exhaust side, if present in front of the turbine. This so-called system bypass is provided with a system bypass valve or a Umblaseventil, as referred to in the aforementioned DE-document. This is typically to prevent the flow compressor from exceeding its surge limit.

Nun ist es so, dass der Strömungsverdichter, insbesondere in Fahrzeuganwendungen, nicht gänzlich abgestellt und auf eine Drehzahl in der Größenordung von Null abgebremst wird, wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise in den Leerlauf geht. Vielmehr wird der Strömungsverdichter mit einer Minimaldrehzahl weiterbetrieben, um bei Bedarf ausreichend dynamisch wieder die geforderte, beispielsweise volle Luftmenge zur Verfügung stellen zu können. Hierdurch entsteht jedoch die Problematik, dass weiterhin Luft zu dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gefördert wird, sodass es zu einem entsprechenden Spannungsaufbau in den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels kommt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem anodenseitig über einen Anodenkreislauf verfügt, in welchem immer zumindest eine Restmenge an Wasserstoff über einen längeren Zeitraum vorhanden ist, und so nicht unmittelbar abgebaut werden kann, beispielsweise wenn das Brennstoffzellensystem in den Leerlauf wechselt.Now, in particular in vehicle applications, the flow compressor is not completely shut down and braked to zero speed, for example when the fuel cell system is idling. Rather, the flow compressor is operated at a minimum speed in order to sufficiently dynamically provide the required, for example, full amount of air available again when needed. However, this creates the problem that further air is conveyed to the at least one fuel cell stack of the fuel cell system, so that it comes to a corresponding voltage build-up in the individual cells of the fuel cell stack. This is especially true when the fuel cell system on the anode side has an anode circuit in which always at least a residual amount of hydrogen over a longer period exists, and so can not be reduced immediately, for example, when the fuel cell system changes to idle.

Solange eine ausreichend hohe Belastung der Brennstoffzelle vorliegt, also solange aus der Brennstoffzelle eine ausreichende Leistung entnommen bzw. ein ausreichend hoher Strom gezogen wird, ist dies unkritisch. Wird nun jedoch keine ausreichende Leistung mehr aus der Brennstoffzelle entnommen, beispielsweise weil diese nicht benötigt wird und weil eine eventuelle Batterie in dem Brennstoffzellensystem ihre maximale Ladung bereits erreicht hat, dann entsteht im Bereich der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels ein entsprechend hohes Spannungspotenzial an den Einzelzellen. Dieses Spannungspotenzial kann dabei leicht so hoch werden, das eine nachhaltige Schädigung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels auftritt. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Degradation. Durch das hohe Spannungspotenzial an den Einzelzellen kann es beispielsweise zu einer Schädigung der katalytischen Materialien oder dergleichen kommen. Dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich als Problem bei Brennstoffzellen, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, bekannt.As long as there is a sufficiently high load on the fuel cell, ie as long as sufficient power is drawn from the fuel cell or a sufficiently high current is drawn, this is not critical. However, if sufficient power is no longer taken from the fuel cell, for example because it is not needed and because a potential battery in the fuel cell system has already reached its maximum charge, then a correspondingly high voltage potential is produced at the individual cells in the region of the individual cells of the fuel cell stack. This voltage potential can easily become so high that sustained damage to the individual cells of the fuel cell stack occurs. In this context, one speaks of a degradation. Due to the high voltage potential across the individual cells, damage to the catalytic materials or the like may occur, for example. This is known per se from the general state of the art as a problem in fuel cells, in particular in PEM fuel cells.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in dem im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Aufbau anzugeben, welches dieser Problematik einer Degradation effizient entgegenwirkt.The object of the present invention is now to provide a method for operating a fuel cell system in the construction specified in the preamble of claim 1, which efficiently counteracts this problem of degradation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 5 eine besonders bevorzugte Verwendung angegeben.According to the invention this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. In addition, a particularly preferred use is specified in claim 5.

Das erfindungsgemäße Verfahren steuert das Systembypassventil in der Verbindung zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter und der Abluftseite in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels. Dabei erfolgt die Steuerung bzw. Regelung so, dass das Systembypassventil immer so weit geöffnet bzw. geschlossen wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht unterschritten wird. Insbesondere im Leerlaufbetrieb, wenn aus dem Brennstoffzellenstapel kein größerer Strom entnommen wird, und wenn der Strömungsverdichter weiterhin mit seiner Minimaldrehzahl läuft, kommt es durch die weiterhin bestehende Luftversorgung der Kathodenseite zu entsprechend hohen Spannungspotenzialen in dem Brennstoffzellenstapel, mit der oben genannten Problematik. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das typischerweise ohnehin vorhandene Systembypassventil bzw. Umblasventil spannungsabhängig gesteuert. Hierdurch kann die aufgrund der Minimaldrehzahl des Strömungsverdichters zwangsläufig geförderte Luftmenge zumindest teilweise durch den Systembypass und das Systembypassventil fließen. Damit gelangt auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels keine oder nur noch eine sehr viel geringere Luftmenge an. Hierdurch wird die mittlere Spannung je Einzelzelle entsprechend begrenzt, sodass den die Brennstoffzelle schädigenden Mechanismen sicher und effizient entgegengewirkt werden kann.The method according to the invention controls the system bypass valve in the connection between the supply air side downstream of the flow compressor and the exhaust side as a function of the average voltage per individual cell of the fuel cell stack. In this case, the control or regulation is carried out so that the system bypass valve is always opened or closed so far that a predetermined limit value of the average voltage is not exceeded. In particular, in idle mode, if no larger current is removed from the fuel cell stack, and if the flow compressor continues to run at its minimum speed, it comes through the continuing air supply to the cathode side to correspondingly high voltage potentials in the fuel cell stack, with the above-mentioned problem. In the method according to the invention, the system bypass valve or blow-off valve, which is typically present anyway, is now controlled in a voltage-dependent manner. As a result, the amount of air necessarily conveyed due to the minimum speed of the flow compressor can at least be increased partially through the system bypass and system bypass valve. Thus reaches on the cathode side of the fuel cell stack no or only a much smaller amount of air. As a result, the average voltage per single cell is limited accordingly, so that the fuel cell damaging mechanisms can be safely and efficiently counteracted.

Die Verfahrensführung kann dabei als Regelung ausgestaltet sein, so dass der Grad der Öffnung des Systembypassventils in Abhängigkeit der erfassten mittleren Spannung ständig angepasst wird. Andererseits ist ebenso denkbar, dass eine reine Steuerung realisiert wird, also dass je nach gemessener Spannung ein zu dieser Spannung passender Grad der Öffnung des Systembypassventils eingestellt wird. Auf eine konkrete Rückmeldung, wie sie für die Regelung charakteristisch ist, kann dann zur Vereinfachung des Aufbaus verzichtet werden. Die Regelung ermöglicht im Gegensatz zur Steuerung eine höhere Genauigkeit, ist jedoch auch mit dem entsprechend höheren Aufwand verbunden.The process control can be designed as a control, so that the degree of opening of the system bypass valve depending on the detected average voltage is constantly adjusted. On the other hand, it is also conceivable that a pure control is realized, that is, depending on the measured voltage, a degree of opening of the system bypass valve matching this voltage is set. On a concrete feedback, as it is characteristic of the scheme, can then be omitted to simplify the structure. The control allows in contrast to the control of a higher accuracy, but is also associated with the corresponding higher cost.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun außerdem vorgesehen, dass zuerst durch Belastung des Brennstoffzellenstapels mit einer elektrischen Last die mittlere Spannung je Einzelzelle unter dem vorgegebenen Grenzwert gehalten wird, wonach erst bei fehlender oder zu geringer Abnahme an Leistung das Systembypassventil in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels gesteuert wird. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Brennstoffzellenstapel zuerst mit einer elektrischen Last belastet, um die mittlere Spannung je Einzelzelle unterhalb eines kritischen Grenzwerts zu halten. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass in einer solchen Situation ein höherer Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erzielt werden kann, als wenn geförderte Luft ungenutzt wieder an die Umgebung abgeblasen wird. Solange eine entsprechende elektrische Leistung benötigt wird, beispielsweise in einem Fahrzeug in Nebenverbrauchern, oder solange diese für den Betrieb des Brennstoffzellensystem bzw. eines mit ihm ausgestatteten Fahrzeugs nutzbringend in einer Batterie eingespeichert werden kann, wird dies getan. Erst wenn keine ausreichende Leistungsabnahme von dem Brennstoffzellenstapel mehr möglich ist, beispielsweise weil kein höherer Leistungsbedarf vorliegt und die Batterie bereits einen vollen Ladezustand erreicht hat, dann erst wird die spannungsabhängige Steuerung des Systembypassventils verwendet, um ein ansonsten unweigerliches Auftreten von erhöhten Spannungspotenzialen an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.In another very advantageous embodiment of the method according to the invention, it is now also provided that the average voltage per single cell is first kept below the predetermined limit by loading the fuel cell stack with an electrical load, after which the system by-pass valve is not activated until there is no or too little decrease in power Dependence of the average voltage per single cell of the fuel cell stack is controlled. In this particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the fuel cell stack is first loaded with an electrical load in order to keep the average voltage per individual cell below a critical limit value. This has the decisive advantage that in such a situation, a higher efficiency of the fuel cell system can be achieved, as if extracted air is blown unused back to the environment. As long as a corresponding electric power is required, for example in a vehicle in secondary consumers, or as long as it can be usefully stored in a battery for the operation of the fuel cell system or a vehicle equipped with it, this is done. Only when a sufficient power decrease from the fuel cell stack is no longer possible, for example, because no higher power requirement and the battery has already reached a full state of charge, then only the voltage-dependent control of the system bypass valve is used to an otherwise inevitable occurrence of increased voltage potentials at the individual cells of the Prevent fuel cell stack.

Hierdurch wird das Abblasen der bei minimaler Drehzahl des Strömungsverdichters geförderten Luft auf eine minimale Menge reduziert, um so einen bestmöglichen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems in den meisten Betriebssituationen zu gewährleisten.As a result, the blowing off of the air conveyed at minimum speed of the flow compressor air is reduced to a minimum amount, so as to ensure the best possible efficiency of the fuel cell system in most operating situations.

Da im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, wenn dieses beispielsweise die zum Antreiben eines Fahrzeugs benötigte Antriebsleistung liefert, wird es typischerweise immer möglich sein, die Spannung der Einzelzellen unter dem kritischen Grenzwert zu halten. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass die verfahrensgemäße Steuerung erst dann startet, wenn das Brennstoffzellensystem im Leerlauf ist, um unnötigen Aufwand hinsichtlich der Erfassung von Messwerten oder dergleichen einzusparen.Since during normal operation of the fuel cell system, for example, when this supplies the drive power required to drive a vehicle, it will typically always be possible to keep the voltage of the individual cells below the critical limit. In an advantageous development of the method according to the invention, it is therefore provided that the control according to the invention does not start until the fuel cell system is idling in order to save unnecessary expenditure with regard to the acquisition of measured values or the like.

Im Prinzip ist es dabei möglich, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels durch eine Einzelzellspannungsüberwachung ermittelt und ein entsprechender Mittelwert gebildet wird. Dies ist jedoch außerordentlich aufwändig, da auf eine solche Einzelzellspannungsüberwachung nach Möglichkeit verzichtet werden soll. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es demnach vorgesehen, dass die mittlere Einzelspannung je Zelle aus der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Anzahl der darin verbauten Zellen ermittelt wird.In principle, it is possible that the mean voltage per single cell of the fuel cell stack is determined by a single cell voltage monitoring and a corresponding average value is formed. However, this is extremely expensive, since it should be possible to dispense with such a single cell voltage monitoring as far as possible. In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is accordingly provided that the average individual voltage per cell is determined from the voltage of the fuel cell stack and the number of cells installed therein.

Neben der Spannung beziehungsweise der mittleren Spannung sind selbstverständlich auch die elektrisch mit der Spannung zusammenhängenden Größen wie der Strom beziehungsweise der mittlere Strom oder die Leistung beziehungsweise die mittlere Leistung als Eingangsgrößen verwendbar. Diese können entweder direkt verwendet werden oder können durch ihren Zusammenhang zur Spannung entsprechend umgewandelt und so in dem erfindungsgemäßen Sinn eingesetzt werden.In addition to the voltage or the average voltage, it is of course also possible to use the variables which are electrically related to the voltage, such as the current or the average current or the power or the average power as input variables. These can either be used directly or can be correspondingly converted by their relationship to the voltage and thus used in the sense of the invention.

Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Strömungsverdichter um einen Strömungsverdichter eines Turboladers handeln, welcher beispielsweise in der in dem eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Art als Freiläufer aufgebaut ist, oder welcher Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers ist. Genauso gut wäre es jedoch denkbar, dass der Strömungsverdichter als alleiniger Strömungsverdichter verwendet wird, sodass also auf eine Turbine in dem Brennstoffzellensystem gänzlich verzichtet wird. Bei allen Anwendungen bietet das beschriebene Verfahren eine einfache und effiziente Möglichkeit, um die Mechanismen der Degradation zu vermeiden und eine hohe Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.As already mentioned, the flow compressor may be a flow compressor of a turbocharger, which is constructed, for example, in the manner described in the aforementioned prior art as an idler, or which is part of a so-called electric turbocharger. However, it would equally well be conceivable for the flow compressor to be used as the sole flow compressor, so that a turbine in the fuel cell system is completely dispensed with. In all applications, the method described provides a simple and efficient way to avoid the mechanisms of degradation and to allow a long life of the fuel cell stack.

Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun in ihrer Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, welches elektrische Leistung zum Antreiben eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitstellt. Ein solches Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für ein Fahrzeug ist im Normalfall den typischerweise auftretenden Anforderungen eines Fahrzeugs an den herkömmlichen Fahrbetrieb ausgesetzt. Fahrzeuge zeichnen sich dabei, insbesondere beim Einsatz beispielsweise im Stadtverkehr, dadurch aus, dass diese häufig im Leerlauf betrieben werden, da sie beispielsweise ausrollen, an einer Ampel stehen oder dergleichen. All diese Situationen sind für die Lebensdauer der Brennstoffzelle potenziell kritisch, da es hierbei zu den oben ausführlich beschriebenen Problemen kommen kann. Da das erfindungsgemäße Verfahren mit minimalem Aufwand in der Lage ist, diesen Problemen entgegenzuwirken, ist es insbesondere für den Einsatz in solchen Brennstoffzellensystemen, welche vergleichsweise dynamisch betrieben werden, und welche häufig auch im Leerlaufbetrieb eingesetzt werden müssen, von besonderem Vorteil. The particularly preferred use of the method according to the invention is now its application in a fuel cell system which provides electrical power for driving an at least partially electrically driven vehicle. Such a fuel cell system for providing electrical drive power for a vehicle is normally exposed to the typically occurring requirements of a vehicle to the conventional driving operation. Vehicles are characterized, in particular when used for example in city traffic, the fact that they are often operated at idle, as they roll out, for example, stand at a traffic light or the like. All of these situations are potentially critical to the life of the fuel cell, as this can lead to the problems described in detail above. Since the inventive method with minimal effort is able to counteract these problems, it is particularly advantageous for use in such fuel cell systems, which are operated relatively dynamically, and which often have to be used in idle mode.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figure.

Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Fahrzeug mit einem darin angeordneten beispielhaften Brennstoffzellensystem.The sole accompanying figure shows a vehicle having an exemplary fuel cell system disposed therein.

In der einzigen Figur ist ein Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses wird über einen beispielhaft angedeuteten elektrischen Antriebsmotor 2 angetrieben, indem über eine Achse 3 angetriebene Räder 4 des Fahrzeugs 1 bewegt werden. Die elektrische Leistung für den elektrischen Antriebsmotor 2 liefert dabei ein Brennstoffzellensystem 5, welches beispielhaft in dem Fahrzeug 1 angedeutet ist. Im Kern besteht dieses Brennstoffzellensystem 5 aus einem Brennstoffzellenstapel 6, welcher als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Er kann insbesondere als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgeführt sein. Dieser Brennstoffzellenstapel 6 umfasst dabei in jeder der Einzelzellen einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich sowie eine Membran und typischerweise einen Kühlbereich. Beispielhaft sind in der Darstellung der Figur jeweils ein Anodenraum 7 sowie ein Kathodenraum 8 in dem Brennstoffzellenstapel 6 angedeutet. Dem Anodenraum 7 wird dabei Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 10 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt nach dem Anodenraum 7 über eine Rezirkulationsleitung 11 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 12 zurück und wird vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 7 erneut zugeführt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 12 ist hier beispielhaft als Wasserstoffrezirkulationsgebläse dargestellt. Sie könnte genauso gut als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, oder als Kombination aus einem Gebläse und einer Gasstrahlpumpe. In diesem sogenannten Anodenkreislauf um den Anodenraum 7 reichert sich mit der Zeit Wasser und Stickstoff an, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum 8 in den Anodenraum 7 diffundiert. Um das Wasser zu sammeln und dieses zusammen mit Gas aus der Rezirkulationsleitung 11 ablassen zu können, ist in der Darstellung der Figur beispielhaft ein Wasserabscheider 13 zu erkennen, welcher über ein Ablassventil 14 verfügt. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt.In the only figure is a vehicle 1 to recognize. This is via an example indicated electric drive motor 2 driven by an axis 3 powered wheels 4 of the vehicle 1 to be moved. The electrical power for the electric drive motor 2 supplies a fuel cell system 5 which is exemplary in the vehicle 1 is indicated. At its core, this fuel cell system exists 5 from a fuel cell stack 6 , which is constructed as a stack of single cells. In particular, it can be designed as a PEM fuel cell stack. This fuel cell stack 6 In this case, in each of the individual cells, an anode region and a cathode region as well as a membrane and typically a cooling region are included. By way of example, an anode space is shown in the illustration of the figure 7 and a cathode compartment 8th in the fuel cell stack 6 indicated. The anode compartment 7 is hydrogen from a compressed gas storage 9 via a pressure regulating and dosing unit 10 fed. Unused hydrogen reaches the anode compartment 7 via a recirculation line 11 and a recirculation conveyor 12 back and is mixed with fresh hydrogen to the anode compartment 7 fed again. The recirculation conveyor 12 is shown here by way of example as a hydrogen circulation blower. It could just as well be designed as a gas jet pump, or as a combination of a fan and a gas jet pump. In this so-called anode circuit around the anode compartment 7 Over time, water and nitrogen accumulate through the membranes of the fuel cell from the cathode compartment 8th in the anode compartment 7 diffused. To collect the water and this together with gas from the recirculation line 11 to be able to drain, is in the representation of the figure by way of example a water separator 13 to recognize which via a drain valve 14 features. This structure is known from the prior art.

Die Kathodenseite wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird dabei beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Luftfilter von einem Strömungsverdichter 15 angesaugt und über einen Befeuchter 16 zu dem Kathodenraum 8 gefördert. Außerdem wäre ein Ladeluftkühler in Strömungsrichtung nach dem Strömungsverdichter 15 möglich, dieser ist jedoch nicht zwingend erforderlich und ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass auf seine Darstellung hier verzichtet worden ist. Die Abluft aus dem Kathodenraum 8, welche entsprechend feucht ist, gelangt als Feuchtelieferant erneut durch den Befeuchter 16, wobei die Abluftseite von der Zuluftseite durch Membranen getrennt ist. Diese Membranen, welche beispielsweise als Flachmembranen oder Hohlfasermembranen ausgebildet sein können, lassen Wasserdampf passieren, sodass die Feuchte der Abluft die Zuluft zu dem Kathodenraum 8 entsprechend befeuchten kann. Nach dem Befeuchter 16 strömt die Abluft über eine Turbine 17, in welcher sie entspannt wird, in die Umgebung. Weitere Komponenten, wie beispielsweise ein katalytischer Brenner in Strömungsrichtung vor der Turbine 17, sind prinzipiell bekannt und wären auch bei dem hier dargestellten Aufbau denkbar. Nun ist es so, dass im Bereich der Turbine 17 thermische Energie und Druckenergie aus der Abluft des Brennstoffzellenstapels 6 zumindest teilweise zurückgewonnen wird. Diese Energie wird genutzt, um die Antriebsleistung für den Strömungsverdichter 15 zumindest teilweise bereitzustellen. Darüber hinaus benötigte Leistung wird durch eine elektrische Maschine 18 geliefert, welche zusammen mit der Turbine 17 und dem Strömungsverdichter 15 auf einer gemeinsamen Welle sitzt. Im Falle eines Leistungsüberschusses im Bereich der Turbine 17 kann über die elektrische Maschine 18 auch elektrische Leistung erzeugt werden. Dieser Aufbau als elektrische Maschine 18, Turbine 17 und Strömungsverdichter 15 ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch als elektrischer Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet.The cathode side is supplied with air as an oxygen supplier. The air is, for example, via an air filter, not shown here by a flow compressor 15 sucked in and over a humidifier 16 to the cathode compartment 8th promoted. In addition, a charge air cooler would be in the flow direction downstream of the flow compressor 15 possible, but this is not absolutely necessary and is known from the general state of the art, so that its illustration has been omitted here. The exhaust air from the cathode compartment 8th , which is correspondingly moist, passes again as a moisture supplier through the humidifier 16 , wherein the exhaust side is separated from the supply air side by membranes. These membranes, which may be formed, for example, as flat membranes or hollow fiber membranes, allow water vapor to pass, so that the humidity of the exhaust air, the supply air to the cathode compartment 8th can moisten accordingly. After the humidifier 16 the exhaust air flows through a turbine 17 in which she is relaxed, in the environment. Other components, such as a catalytic burner in the flow direction in front of the turbine 17 , are known in principle and would also be conceivable in the structure shown here. Now it is like that in the area of the turbine 17 thermal energy and pressure energy from the exhaust air of the fuel cell stack 6 at least partially recovered. This energy is used to drive the flow compressor 15 at least partially. In addition, required power is provided by an electric machine 18 delivered, which together with the turbine 17 and the flow compressor 15 sitting on a common shaft. In the case of a power surplus in the area of the turbine 17 can over the electric machine 18 also electrical power can be generated. This construction as an electrical machine 18 , Turbine 17 and flow compressor 15 is known from the general state of the art and is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger).

Bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 5 ist nun außerdem eine Leitung 19 mit einem sogenannten Systembypassventil 20 zu erkennen. Das Systembypassventil 20 wird im regulären Betrieb typischerweise geschlossen sein. In dieser Situation wird über die Druckregel- und Dosiereinheit 10 Wasserstoff in den Anodenkreislauf dosiert und entsprechend der Leistungsanforderung durch den elektrischen Antriebsmotor 2 des Fahrzeugs 1, welche letztlich beispielsweise durch eine Fahrpedalstellung von einem Nutzer des Fahrzeugs 1 vorgegeben wird, wird elektrische Leistung in dem Brennstoffzellenstapel 6 erzeugt. Über angedeutete elektrische Leitungen 21 gelangt diese Leistung in den Bereich einer Leistungselektronik 22, welche diese entsprechend aufbereitet und an den elektrischen Fahrmotor 2 weitergibt. Über die Leistungselektronik 22 wird außerdem bei Bedarf die elektrische Maschine 18 des elektrischen Turboladers mit Leistung versorgt. Überschussleistung, oder beim Abbremsen des Fahrzeugs im generatorischen Betrieb des elektrischen Antriebsmotors 2 entstehende Leistung, kann in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 23, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, einer Mehrzahl von Hochleistungskondensatoren oder auch einer Kombination hiervon, eingespeichert werden. In the fuel cell system shown here 5 is now also a leader 19 with a so-called system bypass valve 20 to recognize. The system bypass valve 20 will typically be closed in regular operation. In this situation, the pressure regulating and dosing unit 10 Hydrogen dosed into the anode circuit and according to the power requirement by the electric drive motor 2 of the vehicle 1 , which ultimately, for example, by an accelerator pedal position of a user of the vehicle 1 is specified, electric power is in the fuel cell stack 6 generated. Over indicated electrical lines 21 This power comes in the area of power electronics 22 , which prepares this accordingly and to the electric traction motor 2 passes. About the power electronics 22 Also, if necessary, the electric machine 18 powered by the electric turbocharger. Surplus power, or when braking the vehicle in the regenerative operation of the electric drive motor 2 resulting power, may be in an electrical energy storage device 23 , For example, a high-voltage battery, a plurality of high-power capacitors or a combination thereof, are stored.

Ein Problem des Strömungsverdichters 15, sowohl bei einem alleinigen Strömungsverdichter 15 als auch bei seinem Aufbau als ETC zusammen mit der elektrischen Maschine 18 und der Turbine 17, wie er hier dargestellt ist, liegt nun darin, dass dieser bei vergleichsweise schnellen Drehzahlen laufen muss, um eine ausreichende Luftmenge beispielsweise bei mittlerer oder voller Last des Brennstoffzellensystems 5 bereitzustellen. Wird er im Leerlauf des Brennstoffzellensystems 5 gänzlich abgebremst, so benötigt er eine sehr lange Zeit, bis er wieder die erforderliche Drehzahl erreicht. Dies ist typischerweise nicht akzeptabel. Im Betrieb des Fahrzeugs 1 wird daher der Strömungsverdichter 15 immer, auch im Leerlauf des Brennstoffzellensystems 5, mit einer vorgegebenen Minimaldrehzahl in der Größenordnung von typischerweise 5–20% der Nenndrehzahl betrieben, um ein schnelles Hochlaufen bei Bedarf gewährleisten zu können. Dieser Betrieb des Strömungsverdichters 15 mit vorgegebener Minimaldrehzahl sorgt nun jedoch dafür, dass in den entsprechenden Betriebssituationen Luft in den Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 6 gefördert wird, obwohl dies eigentlich nicht erwünscht ist. Kann eine ausreichende Leistungsabnahme gewährleistet werden, so kann beispielsweise durch eine Leistungsabnahme für Nebenverbraucher in dem Fahrzeug 1 oder ein Einspeichern der Leistung in den elektrischen Energiespeicher 23 verhindert werden, dass die Spannungspotenziale an den Einzelzellen unerwünscht stark ansteigen. Ist eine solche Leistungsabnahme nicht möglich, beispielsweise weil kein ausreichender Leistungsbedarf in dem Fahrzeug 1 vorliegt und gleichzeitig der Energiespeicher 23 voll geladen ist, dann kann es zu einer sehr schädlichen Potenzialerhöhung an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6 kommen. Dies führt zu einer erheblichen Schädigung der Einzelzellen und letztlich zu einer Degradation und einer Verringerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 6.A problem of the flow compressor 15 , both in a single flow compressor 15 as well as its construction as ETC together with the electric machine 18 and the turbine 17 , as shown here, lies in the fact that it must run at relatively fast speeds to a sufficient amount of air, for example, at medium or full load of the fuel cell system 5 provide. Will he be idling the fuel cell system 5 slowed down completely, it takes a very long time until it reaches the required speed again. This is typically unacceptable. In operation of the vehicle 1 therefore becomes the flow compressor 15 always, even when idling the fuel cell system 5 , operated at a predetermined minimum speed in the order of typically 5-20% of the rated speed to ensure a fast run-up when needed can. This operation of the flow compressor 15 with given minimum speed but now ensures that in the corresponding operating situations, air in the cathode compartment 8th of the fuel cell stack 6 although this is not really desirable. If a sufficient decrease in performance can be ensured, this can be achieved, for example, by reducing the performance of secondary consumers in the vehicle 1 or storing the power in the electrical energy storage 23 It can be prevented that the voltage potentials on the individual cells undesirably increase. If such a decrease in performance is not possible, for example because there is insufficient power requirement in the vehicle 1 exists and at the same time the energy storage 23 is fully charged, then it can lead to a very harmful increase in potential at the individual cells of the fuel cell stack 6 come. This leads to a significant damage to the individual cells and ultimately to a degradation and a reduction in the life of the fuel cell stack 6 ,

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 5 bzw. des Fahrzeugs 1 ist es nun vorgesehen, dass über die Leistungselektronik 22, welche zumindest die Spannung des Brennstoffzellenstapels 6 ohnehin kennt, eine mittlere Spannung je Einzelzelle ermittelt wird. Idealerweise erfolgt dies durch ein Teilen der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 6 durch die Anzahl an verbauten Einzelzellen. Erreicht diese mittlere Spannung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6 nun einen hinsichtlich der Degradation kritischen Wert, dann wird über eine Steuerungselektronik, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls in die Leistungselektronik 22 integriert ausgeführt ist, eine spannungsabhängige Ansteuerung des Systembypassventils 20. Dieses wird also in Abhängigkeit der mittleren Spannung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6 so angesteuert, dass Luft im Bypass an dem Brennstoffzellenstapel 6 vorbei direkt in die Turbine 17 und damit in den Bereich der Abluft geleitet wird. Hierdurch wird zwar der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 5 entsprechend verschlechtert, da die Luft mit entsprechendem Leistungsaufwand gefördert worden ist. Allerdings kann durch dieses Abblasen der geförderten Luft an die Umgebung in Abhängigkeit der Spannung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels über das Systembypassventil 20 erreicht werden, dass die Potenziale an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6, auch wenn keine Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 6 abgenommen wird, jeweils so gering bleiben, dass diese nicht in hinsichtlich der Degradation schädliche Bereiche gelangen. Der Aufbau verschlechtert so zwar den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 5 über seine Betriebsdauer hinweg minimal, ermöglicht jedoch eine Verhinderung der Degradation und damit einen sehr schonenden Umgang mit dem Brennstoffzellenstapel 6. Hierdurch wird eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer erzielt, was einen erheblichen zusätzlichen Vorteil gegenüber den minimalen hierfür in Kauf genommenen Wirkungsgradeinbußen liefert.In the embodiment of the fuel cell system shown here 5 or of the vehicle 1 It is now planned that on the power electronics 22 which at least the voltage of the fuel cell stack 6 knows anyway, a mean voltage per single cell is determined. Ideally, this is done by dividing the total voltage of the fuel cell stack 6 by the number of installed single cells. Reaches this average voltage of the individual cells of the fuel cell stack 6 now a value critical to the degradation, then via a control electronics, which in the embodiment shown here also in the power electronics 22 integrated, a voltage-dependent control of the system bypass valve 20 , This is thus dependent on the average voltage of the individual cells of the fuel cell stack 6 controlled so that air in the bypass on the fuel cell stack 6 pass directly into the turbine 17 and thus into the area of the exhaust air is passed. Although this is the efficiency of the fuel cell system 5 deteriorates accordingly, since the air has been promoted with a corresponding effort. However, by this blowing off of the conveyed air to the environment depending on the voltage of the individual cells of the fuel cell stack via the system bypass valve 20 be achieved that the potentials at the single cells of the fuel cell stack 6 even if no power from the fuel cell stack 6 each is so small that they do not reach harmful in terms of degradation areas. The structure thus deteriorates the efficiency of the fuel cell system 5 minimal over its service life, but allows prevention of degradation and thus a very gentle handling of the fuel cell stack 6 , As a result, a significant increase in the life is achieved, which provides a significant additional advantage over the minimum loss of efficiency accepted in this regard.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10120947 A1 [0002, 0002] DE 10120947 A1 [0002, 0002]

Claims (5)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5) mit wenigstens einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel (6), welches über einen Strömungsverdichter (15) kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird, und welches über eine mit einem Systembypassventil (20) versehene Leitung (19) zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter (15) und der Abluftseite verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.Method for operating a fuel cell system ( 5 ) with at least one fuel cell stack constructed from individual cells ( 6 ), which via a flow compressor ( 15 ) is supplied with air as an oxygen supplier on the cathode side, and which is supplied via a system bypass valve ( 20 ) provided line ( 19 ) between the supply air side after the flow compressor ( 15 ) and the exhaust side, characterized in that the system bypass valve ( 20 ) as a function of the mean voltage per single cell of the fuel cell stack ( 6 ) is controlled so that a predetermined limit value of the mean voltage is not exceeded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst durch Belastung des Brennstoffzellenstapels (6) mit einer elektrischen Last die mittlere Spannung je Einzelzelle unter dem vorgegebenen Grenzwert gehalten wird, wonach erst bei fehlender oder zu geringer Abnahme an elektrischer Leistung das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert wird, dass der vorgegebene Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.Method according to claim 1, characterized in that first by loading the fuel cell stack ( 6 ) the average voltage per individual cell is kept below the predetermined limit value with an electrical load, after which the system bypass valve (only if there is no or too little decrease in electrical power) 20 ) as a function of the mean voltage per single cell of the fuel cell stack ( 6 ) is controlled so that the predetermined limit value of the average voltage is not exceeded. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung bzw. Regelung des Systembypassventils (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ausschließlich im Leerlauf angewandt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the control or regulation of the system bypass valve ( 20 ) is applied only in idle depending on the average voltage per single cell of the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) aus der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels (6) und der Anzahl der Einzelzellen ermittelt wird.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the mean voltage per single cell of the fuel cell stack ( 6 ) from the total voltage of the fuel cell stack ( 6 ) and the number of single cells is determined. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5), welches in einem Fahrzeug (1) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird.Use of the method according to one of claims 1 to 4, for operating a fuel cell system ( 5 ), which in a vehicle ( 1 ) is used to provide electrical drive power.
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