DE102013015025A1 - Method for starting a fuel cell system - Google Patents

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Felix Blank
Sven Schmalzriedt
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (5) aufweist, und bei welcher beim Abstellen der restliche Sauerstoff in dem Kathodenraum (5) der Brennstoffzelle (3) aufgebraucht worden ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass während des Startvorgangs und bevor elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle (3) gezogen wird, zuerst der Sauerstoffanteil im Anodenraum (4) zumindest mittelbar bestimmt wird, wonach in Abhängigkeit des Sauerstoffanteils im Anodenraum (4) eine Startprozedur mit Entnahme von elektrischer Leistung erfolgt oder eine Startvorbereitungsroutine durchgeführt wird, wobei während der Startvorbereitungsroutine Wasserstoff in der passenden Menge zudosiert wird, um eine im Wesentlichen stöchiometrische Mischung zu erzielen und den Sauerstoff im Anodenraum (4) aufzubrauchen, und wobei nach erfolgter Startvorbereitungsroutine die Startprozedur mit Entnahme von elektrischer Leistung erfolgt.The invention relates to a method for starting a fuel cell system (1) having at least one fuel cell (3), which has an anode chamber (4) and a cathode chamber (5), and wherein when stopping the remaining oxygen in the cathode chamber (5) of the fuel cell (3) has been used up. The invention is characterized in that during the starting process and before electrical power is drawn from the fuel cell (3), first the oxygen content in the anode space (4) is determined at least indirectly, after which a starting procedure with removal takes place as a function of the oxygen content in the anode space (4) electric power is performed or a startup preparation routine is performed, wherein during the startup preparation routine hydrogen is metered in the appropriate amount to achieve a substantially stoichiometric mixture and consume the oxygen in the anode compartment (4), and after the startup preparation routine the startup procedure with removal of electrical power takes place.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for starting a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Die der Idee zugrundeliegende Problematik ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Wenn eine Brennstoffzelle abgeschaltet wird, dann wird der im Anodenraum der Brennstoffzelle befindliche Wasserstoff entweder aufgebraucht oder diffundiert durch den Aufbau der Brennstoffzelle nach außen. Nach einer gewissen Zeit ist daher im Anodenraum der Brennstoffzelle kein Wasserstoff mehr vorhanden. Zunächst bleibt dabei Stickstoff übrig, welcher während des Betriebs typischerweise durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundiert ist. Mit der Zeit wird sich auch Luftsauerstoff in dem Anodenraum der Brennstoffzelle sammeln, welcher ebenfalls durch die Membranen diffundiert oder durch Undichtheiten im Aufbau der Brennstoffzelle, auch bei abgesperrtem Anodenraum, in diesen eindringt. Kommt es nun zu einem Start in der Brennstoffzelle, dann liegt in der Startphase sowohl im Kathodenraum als auch im Anodenraum Luft bzw. Sauerstoff vor. Der Vorgang wird daher auch als Air/Air-Start bezeichnet. Am Eingang des Anodenraums der Brennstoffzelle bildet sich mit bei Start einströmendem Wasserstoff eine Wasserstoff/Sauerstofffront aus. Die Brennstoffzelle, welche im korrespondierenden Bereich des Kathodenraums mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt ist, beginnt zu arbeiten und bildet in dem Bereich, in dem der Wasserstoff vorhanden ist, das übliche Betriebspotenzial der Brennstoffzelle aus. Nun ist es aber so, dass innerhalb jeder einzelnen Zelle bzw. ihres Anodenraums im Eingangsbereich bereits ein entsprechendes elektrisches H2/O2 Potenzial vorliegt, während im Bereich in Strömungsrichtung vor der Wasserstoff/Luft-Front noch ein O2 Potenzial vorliegt. Durch die unterschiedlichen Potenziale auf der Anodenseite kommt es zu einer Potenzialüberhöhung. Dies führt zu einer starken Kohlenstoffreaktion. D. h. der Kohlenstoff als Katalysatorträger wird abgebaut. Um dieser Degradation entgegenzuwirken, muss eine entsprechend große Menge an teurem Katalysator vorgehalten werden, da sich ansonsten durch die Schädigung des Katalysators die Lebensdauer der Brennstoffzelle drastisch verkürzt.The problem underlying the idea is known from the general state of the art. When a fuel cell is turned off, the hydrogen in the anode compartment of the fuel cell is either consumed or diffused outwardly by the structure of the fuel cell. After a certain time, therefore, hydrogen is no longer present in the anode compartment of the fuel cell. First of all, nitrogen is left over which, during operation, is typically diffused by the membranes of the fuel cell from the cathode space into the anode space. Over time, atmospheric oxygen will collect in the anode compartment of the fuel cell, which also diffuses through the membranes or penetrates through leaks in the construction of the fuel cell, even when the anode compartment is shut off. If there is a start in the fuel cell, then there is air or oxygen in the starting phase both in the cathode space and in the anode space. The process is therefore also referred to as Air / Air Start. At the entrance to the anode compartment of the fuel cell, a hydrogen / oxygen front is formed with hydrogen flowing in at startup. The fuel cell, which is supplied with air or oxygen in the corresponding region of the cathode space, begins to work and forms the usual operating potential of the fuel cell in the region in which the hydrogen is present. Now, however, there is already a corresponding electrical H 2 / O 2 potential within each individual cell or its anode space in the entrance area, while there is still an O 2 potential in the area in the flow direction in front of the hydrogen / air front. Due to the different potentials on the anode side, there is an increase in potential. This leads to a strong carbon reaction. Ie. the carbon as a catalyst carrier is degraded. In order to counteract this degradation, a correspondingly large amount of expensive catalyst must be kept, otherwise the life of the fuel cell is drastically shortened due to the damage to the catalyst.

Um nun das Vorhalten einer großen Menge an teurem Katalysator zu vermeiden, wird es im allgemeinen Stand der Technik auch vorgesehen, den Anodenraum der Brennstoffzelle während des Stillstands durchgehend mit Wasserstoff zu versorgen, umso den Sauerstoff am Eindringen zu hindern und gegebenenfalls eingedrungenen Sauerstoff durch eine Reaktion mit dem Wasserstoff zu Wasser aufzubrauchen. Die Problematik dieser „ständigen” Wasserstoffversorgung liegt darin, dass es zu einem erhöhten Wasserstoffverbrauch kommt und dass im Stillstand, d. h. nach einer gewissen Zeit, der Tank leer ist. Darüber hinaus kann es zu hohen Wasserstoffemissionen kommen.In order to prevent the provision of a large amount of expensive catalyst, it is also provided in the general state of the art to provide the anode compartment of the fuel cell continuously during standstill with hydrogen, so as to prevent the oxygen from penetrating and possibly penetrating oxygen by a reaction to use up with the hydrogen to water. The problem of this "constant" hydrogen supply is that it comes to an increased hydrogen consumption and that at standstill, d. H. after a while, the tank is empty. In addition, high levels of hydrogen emissions can occur.

Aus der DE 10 2010 053 628 A1 ist es bekannt, den in der Stillstandsphase dem Anodenraum der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoff in Abhängigkeit eines Drucks in einer Anodeneingangsleitung zu dosieren. Dadurch lässt sich, so die Überlegung in diesem Stand der Technik, die Menge an benötigtem Wasserstoff durch eine konkrete Dosierung des Wasserstoffs, wenn Bedarf an Wasserstoff besteht, entsprechend reduzieren. Die Problematik liegt darin, dass der Druck zwar leicht zu messen ist, aber eine für den Bedarf an Wasserstoff unzureichende Größe darstellt.From the DE 10 2010 053 628 A1 It is known to meter the hydrogen supplied in the standstill phase to the anode space of the fuel cell as a function of a pressure in an anode input line. As a result, it is the consideration in this prior art, the amount of hydrogen required by a specific dosage of hydrogen, if there is a need for hydrogen, reduce accordingly. The problem is that although the pressure is easy to measure, it is an insufficient quantity for the need for hydrogen.

Aus der eigenen ältern DE 10 2012 000 822.1 , welche nicht vorveröffentlicht ist, ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem anstelle einer Messung des Drucks die Wasserstoffzufuhr in Abhängigkeit einer Sauerstoffkonzentration in dem Anodenraum und/oder Kathodenraum oder den damit verbundenen Leitungselementen erfolgt. Dies ist eine Größe, welche den Bedarf an Wasserstoff bereits sehr viel besser darstellt und damit eine Verbesserung gegenüber dem zuvor genannten Stand der Technik bietet. Allerdings ist auch hier die Zudosierung von Wasserstoff während des Stillstands durchgängig notwendig, sobald die entsprechenden Bedingungen vorliegen. Dies ist aufgrund der eingangs beschriebenen Problematik jedoch im Kern unerwünscht, auch wenn durch eine intelligente Sensorik die Menge an benötigtem Wasserstoff auf ein Minimum reduziert werden kann.Out of their own DE 10 2012 000 822.1 , which is not prepublished, a similar method is known, in which instead of a measurement of the pressure, the hydrogen supply in dependence of an oxygen concentration in the anode space and / or cathode space or the associated line elements takes place. This is a size which already represents the need for hydrogen much better and thus offers an improvement over the aforementioned prior art. However, the metered addition of hydrogen during standstill is also necessary here as soon as the appropriate conditions are met. However, this is undesirable in the core due to the problem described above, even if the amount of hydrogen required can be reduced to a minimum by intelligent sensor technology.

Aus der DE 10 2007 052 148 A1 ist zum weiteren Stand der Technik ferner ein Verfahren zum Vermeiden von gasförmigen Verunreinigungseinflüssen im Gasraum einer Brennstoffzelle bekannt, welches den Wasserstoff nicht über einen Wasserstofftank zudosiert, sondern durch eine Elektrolyse bei Bedarf erzeugt. Die Elektrolyse kann dabei vorzugsweise durch eine Umkehr des Funktionsprinzips der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels selbst erfolgen. Als Ausgangsbasis für die Elektrolyse dient dabei Wasser. Genau dies ist eines der Probleme bei dem dort genannten Verfahren. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts friert dieses Wasser ein. Es lässt sich dann zwar immer noch durch Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten, allerdings nur wenn es dort ist, wo es gebraucht wird. Eine eventuelle Bevorratung des Wassers außerhalb des Elektrolyseurs bzw. der Brennstoffzelle ist überaus schwierig und erfordert einen erheblichen Energieaufwand zum Aufheizen des Systems, falls dieses eingefroren ist. In einer Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems ist dies mit erheblichem Energieaufwand und Nachteilen hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads verbunden.From the DE 10 2007 052 148 A1 Further, a method for avoiding gaseous impurity influences in the gas space of a fuel cell, which does not meter the hydrogen through a hydrogen tank, but generates by electrolysis when necessary, is known in the art. The electrolysis can be carried out preferably by reversing the operating principle of the fuel cell or of the fuel cell stack itself. The starting point for the electrolysis is water. This is exactly one of the problems with the process mentioned there. At temperatures below freezing this water freezes. It can still be split by electrolysis into oxygen and hydrogen, but only if it is where it is needed. A possible storage of water outside the electrolyzer or the fuel cell is very difficult and requires a considerable amount of energy to heat the system, if this is frozen. In a standstill phase of the fuel cell system, this is significant Energy consumption and disadvantages associated with the overall efficiency.

Aus der US 2002/0058167 A1 ist außerdem ein Verfahren bekannt, mittels welchem die oben genannte Problematik gänzlich vermieden wird, da anstelle von Wasserstoff ein inertes Gas in dem Anodenraum erzeugt wird. Hierfür wird bei bereits eingedrungenem Sauerstoff soviel Wasserstoff bei laufender aktiver Rezirkulationsfördereinrichtung in den Anodenraum bzw. einen Kreislauf um den Anodenraum dosiert, bis Inertgas vorliegt, welches dann einen problemlosen Start ermöglicht. Der Aufbau hat dabei den entscheidenden Nachteil, dass er lediglich mit einer aktiven Rezirkulationsfördereinrichtung funktioniert, welche aufgrund ihrer Baugröße und ihrer energetischen Nachteile in aktuellen Brennstoffzellensystemen häufig nicht mehr gewünscht ist.From the US 2002/0058167 A1 In addition, a method is known by means of which the abovementioned problem is completely avoided since, instead of hydrogen, an inert gas is generated in the anode space. For this purpose, in the case of already infiltrated oxygen, so much hydrogen is metered into the anode chamber or a circuit around the anode chamber while the active recirculation conveyor is running until inert gas is present, which then permits a trouble-free start. The structure has the decisive disadvantage that it only works with an active recirculation conveyor, which is often no longer desirable due to their size and their energy disadvantages in current fuel cell systems.

Allen Verfahren gemeinsam ist es, dass sie immer eine entsprechende Startvorbereitung vornehmen, welche je nach Durchführung entsprechend energieaufwändig ist und/oder mit entsprechenden Wasserstoffemissionen an die Umgebung verbunden ist. Dies ist im Prinzip unerwünscht, da der Bedarf an Wasserstoff und Energie hierdurch für all die Fälle unnötig hoch wird, in denen die Gefahr eines Air/Air-Starts gar nicht gegeben ist.It is common to all methods that they always carry out a corresponding start preparation, which is correspondingly energy-consuming, depending on the implementation, and / or is connected to the environment with corresponding hydrogen emissions. This is undesirable in principle, since the need for hydrogen and energy is unnecessarily high for all those cases in which the risk of an air / air start is not given.

Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin ein Verfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und eine einfache und energieeffiziente Verfahrensführung in allen Bautypen von Brennstoffzellensystemen ermöglicht.The object of the invention is now to provide a method which avoids the disadvantages mentioned and enables a simple and energy-efficient process control in all types of fuel cell systems.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Idee ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the idea emerge from the remaining dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass, vergleichbar wie im Stand der Technik, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems der restliche Sauerstoff in dem Kathodenraum der Brennstoffzelle abgereichert wird, wozu typischerweise ohne weitere Sauerstoffzufuhr eine fortdauernde Leistungsentnahme der Brennstoffzelle erfolgt, bis die Spannung unter einen entsprechenden Grenzwert fällt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer sogenannten O2-Depletion. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass zum Starten eines so abgestellten Brennstoffzellensystems während des Startvorgangs, aber bevor elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle gezogen wird, zuerst der Sauerstoffanteil im Anodenraum zumindest mittelbar bestimmt wird. Aus diesem zumindest mittelbar bestimmten Sauerstoffanteil im Anodenraum wird dann entschieden, in welchem Zustand sich die Brennstoffzelle befindet. In Abhängigkeit des Sauerstoffanteils kann dann einerseits sofort eine Startprozedur mit der Entnahme von elektrischer Leistung erfolgen oder es wird zuerst eine Startvorbereitungsroutine durchgeführt, während welcher Wasserstoff in der passenden Menge zudosiert wird, um eine stöchiometrische Mischung zu erzielen und den Sauerstoff im Anodenraum aufzubrauchen. Erst nach der erfolgten Startvorbereitungsroutine erfolgt in diesem Fall die eigentliche Startprozedur, mit der Entnahme von elektrischer Leistung.In the method according to the invention, it is provided that, as in the prior art, when stopping the fuel cell system, the residual oxygen in the cathode compartment of the fuel cell is depleted, to which typically without further oxygen supply continued power extraction of the fuel cell takes place until the voltage below a corresponding Limit falls. One speaks in this context of a so-called O 2 depletion. According to the invention, in order to start such a parked fuel cell system during the starting process, but before electrical power is drawn from the fuel cell, first the oxygen content in the anode space is determined at least indirectly. From this at least indirectly determined oxygen content in the anode compartment is then decided in which state the fuel cell is located. On the one hand, depending on the oxygen content, a start procedure with the removal of electrical power can take place immediately or a start preparation routine is first carried out, during which hydrogen is added in the appropriate amount in order to achieve a stoichiometric mixture and to use up the oxygen in the anode compartment. Only after the successful start preparation routine in this case, the actual startup procedure, with the removal of electrical power.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also vorgesehen, dass die Menge an Sauerstoff im Anodenraum zum Startzeitpunkt ermittelt, berechnet oder abgeschätzt wird. Auf Basis dieser Information kann dann entschieden werden, ob eine Startvorbereitungsroutine notwendig ist, weil der kommende Start ein Air/Air-Start ist, oder ob auf eine solche energie- und zeitaufwändige Startvorbereitungsroutine gänzlich verzichtet werden und die Brennstoffzelle sofort gestartet werden kann. Im Normalfall wird nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems mit O2-Depletion Wasserstoff im Anodenraum vorhanden sein. Mit der Zeit diffundiert Luft in den Anodenraum und gegebenenfalls Wasserstoff aus diesem. Der im Anodenraum verbleibende Wasserstoff reagiert mit dem eindiffundierten Sauerstoff der Luft zu Wasser, sodass im Wesentlichen der Stickstoff übrig bleibt. Erst wenn der Wasserstoff komplett aufgebraucht ist, dann wird es, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, zu einer Anreicherung von Sauerstoff durch die eindiffundierende Luft kommen. Durch eine Abschätzung des Sauerstoffanteils, eine Berechnung desselben oder insbesondere eine Messung des Sauerstoffanteils in dem Anodenraum kann nun festgestellt werden, in welchem zeitlichen Abschnitt dieser soeben beschriebenen Phasen das Brennstoffzellensystem sich zum Zeitpunkt des Wiederstarts befindet. Ist weiterhin Wasserstoff und/oder Stickstoff im Anodenraum, dann ist keine Startvorbereitungsroutine notwendig, weil kein Air/Air-Start auftreten wird. In diesem Fall kann die normale Startprozedur mit der Entnahme von elektrischer Leistung unmittelbar beginnen. Auf die Zeit und Energie, welche für eine Startvorbereitungsroutine aufgebracht werden müssten, kann so in besonders einfacher Art und Weise verzichtet werden.In the method according to the invention, it is thus provided that the amount of oxygen in the anode space is determined, calculated or estimated at the start time. On the basis of this information, it can then be decided whether a start preparation routine is necessary because the upcoming start is an air / air start, or if such an energy-consuming and time-consuming startup preparation routine is completely dispensed with and the fuel cell can be started immediately. Normally, hydrogen will be present in the anode compartment after switching off the fuel cell system with O 2 depletion. Over time, air diffuses into the anode compartment and possibly hydrogen from it. The remaining hydrogen in the anode compartment reacts with the diffused oxygen of the air to water, so that essentially the nitrogen remains. Only when the hydrogen has been completely used up, then, as is known from the prior art, will there be an accumulation of oxygen by the diffusing air. By an estimate of the oxygen content, a calculation of the same or in particular a measurement of the oxygen content in the anode space can now be determined in which temporal portion of these phases just described, the fuel cell system is at the time of restarting. Further, if hydrogen and / or nitrogen in the anode compartment, then no start preparation routine is necessary because no air / air start will occur. In this case, the normal starting procedure can start immediately with the removal of electric power. On the time and energy, which would have to be applied for a startup preparation routine, can be dispensed with in a particularly simple manner.

Liegt dagegen Sauerstoff im Anodenraum vor, ist also die dritte zeitliche Phase gemäß der obigen Beschreibung erreicht, dann wird ein Air/Air-Start auftreten. In diesem Fall müssen über eine Startvorbereitungsroutine verbesserte Bedingungen geschaffen werden, um eine vorzeitige Alterung der Brennstoffzelle sicher und effizient zu vermeiden. Die Startvorbereitungsroutine kann dann so aussehen, wie es beispielsweise im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist, indem beispielsweise Wasserstoff in den Anodenraum zudosiert wird, um passend zur dort vorhandenen Sauerstoffmenge, welche entsprechend gemessen, berechnet oder abgeschätzt worden ist, eine im Wesentlichen stöchiometrische Mischung zu bilden. Diese kann dann zu Wasser reagieren, sodass letztlich Wasserdampf und Stickstoff verbleiben. Dann kann bedenkenlos die Startprozedur für das Brennstoffzellensystem durchgeführt werden kann. Unter einer im Wesentlichen stöchiometrischen Mischung ist dabei eine Mischung zu verstehen, welche so ausgebildet ist, dass der schädliche Sauerstoff gänzlich aufgebraucht wird. Idealerweise wird der Wasserstoff ebenfalls gänzlich mit aufgebraucht. Eine etwas zu große Menge an Wasserstoff ist jedoch unkritisch, da es im Kern wesentlich ist, den Sauerstoff vollständig aufzubrauchen.On the other hand, if oxygen is present in the anode space, ie if the third time phase has been reached according to the above description, then an air / air start will occur. In this case, improved conditions must be created via a startup preparation routine to safely and efficiently avoid premature aging of the fuel cell. The start preparation routine can then look like that described, for example, in the aforementioned prior art, for example by adding hydrogen into the anode compartment in order to match the existing one there Amount of oxygen, which has been measured accordingly, calculated or estimated to form a substantially stoichiometric mixture. This can then react to water, so that ultimately water vapor and nitrogen remain. Then, without hesitation, the startup procedure for the fuel cell system can be performed. Under a substantially stoichiometric mixture is a mixture to understand, which is designed so that the harmful oxygen is completely consumed. Ideally, the hydrogen is also used up entirely. However, a slightly too large amount of hydrogen is not critical because it is essential in the core to completely use up the oxygen.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der Wasserstoff über eine Gasstrahlpumpe in einem Anodenkreislauf um den Anodenraum zudosiert wird, wobei die zudosierte Wasserstoffmenge so gewählt wird, dass eine Rezirkulation der gesamten Gasmenge im geschlossenen Anodenkreislauf erzielt wird, und wobei, falls dafür mehr Wasserstoff benötigt wird, als zum Erreichen einer zumindest stöchiometrischen Mischung mit dem im Anodenraum vorhandenen Sauerstoff erforderlich ist, so viel Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, nachdosiert wird, bis zumindest eine stöchiometrische Mischung vorliegt. In dieser besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Wasserstoff über eine Gasstrahlpumpe, also eine passive Anodenrezirkulationseinrichtung, zudosiert wird. Dabei ist es sinnvoll, eine vollständige Zirkulation in dem Anodenkreislauf aufzubauen, um Sauerstoff nicht nur aus dem Anodenraum selbst sondern auch aus der gesamten Leitungsführung des Anodenkreislaufs zu entfernen. Eine zumindest stöchiometrische Mischung soll dabei, wie oben bereits erwähnt, sicherstellen, dass der Sauerstoff idealerweise im gesamten Anodenkreislauf abgebaut wird. Im Prinzip ist dies jedoch nicht notwendig, da es bereits ausreicht, wenn in dem Anodenraum selbst zu dem Zeitpunkt, zu dem gestartet wird, eine vom Sauerstoff freie Atmosphäre erreicht ist. Die Rezirkulation sollte also vorhanden sein, ist jedoch im Kern nicht zwingend notwendig. Die Menge an eingesetztem Wasserstoff kann im Prinzip auch überstöchiometrisch sein, es muss aber in jedem Fall sichergestellt werden, dass der entsprechende Sauerstoff abgebaut wird. Um dies gleichzeitig mit der Rezirkulation zu erreichen, kann gegebenenfalls eine Menge an Wasserstoff notwendig sein, welche höher ist, als die Menge an Wasserstoff, welche benötigt wird, um ein stöchiometrisches Gemisch von Wasserstoff und dem im Anodenraum bzw. den Leitungen vorhandenen Sauerstoff zu erreichen. In diesem Fall wird der Rezirkulation faktisch Vorrang eingeräumt und es wird so lange Sauerstoff nachdosiert, bis wieder eine stöchiometrische Mischung vorliegt, welche dann zu inerten Gasen wie Wasserdampf und Stickstoff abreagieren kann. Erst dann erfolgt in diesem Fall die oben beschriebene Startprozedur mit der Entnahme von elektrischer Leistung.In a further very favorable and advantageous embodiment of the method according to the invention, it can now also be provided that the hydrogen is added via a gas jet pump in an anode circuit to the anode compartment, wherein the metered amount of hydrogen is chosen so that a recirculation of the total amount of gas in the closed anode circuit is achieved, and where, if more hydrogen is required than to achieve at least stoichiometric mixture with the existing oxygen in the anode compartment, so much oxygen, in particular in the form of air, is metered in until at least one stoichiometric mixture is present. In this particularly favorable embodiment of the method according to the invention, it is provided that the hydrogen is metered in via a gas jet pump, that is to say a passive anode recirculation device. It is useful to build a complete circulation in the anode circuit to remove oxygen not only from the anode compartment itself but also from the entire wiring of the anode circuit. An at least stoichiometric mixture should, as already mentioned above, ensure that the oxygen is ideally decomposed in the entire anode cycle. In principle, however, this is not necessary since it is already sufficient if an oxygen-free atmosphere is reached in the anode space itself at the time at which it is started. The recirculation should therefore be present, but is not essential in the core. The amount of hydrogen used can in principle also be superstoichiometric, but it must be ensured in any case that the corresponding oxygen is degraded. In order to achieve this concurrently with the recirculation, it may be necessary to use an amount of hydrogen which is higher than the amount of hydrogen needed to achieve a stoichiometric mixture of hydrogen and the oxygen present in the anode compartment (s) , In this case, recirculation is in fact given priority and oxygen is replenished until a stoichiometric mixture is present, which can then react to form inert gases such as water vapor and nitrogen. Only then does the starting procedure described above with the removal of electrical power take place in this case.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der zusätzliche Sauerstoff zum Erreichen einer stöchiometrischen Mischung über eine Luftfördereinrichtung und/oder die vom Wasserstoff als Treibgasstrom durchströmte Gasstrahlpumpe zudosiert wird. Der zusätzliche benötigte Sauerstoff, typischerweise in Form von Luft, kann also über eine Luftfördereinrichtung, beispielsweise ein eigens hierfür vorhandenes Gebläse oder auch die Luftfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems, welche im Normalfall zur Luftversorgung des Kathodenraums ohnehin vorhanden ist, erfolgen. Genauso gut kann alternativ oder ergänzend hierzu die gegebenenfalls zur Rezirkulation eingesetzte Gasstrahlpumpe genutzt werden, indem der zusätzliche Sauerstoff von dem zur Aufrechterhaltung der Rezirkulation zudosierten Wasserstoffstrom neben dem rezirkulierten Abgas mit angesaugt wird, um so die Luft bzw. den Sauerstoff in den Anodenraum bzw. den Anodenkreislauf zu dosieren. Der besondere Vorteil hiervon liegt in der sehr guten Durchmischung des Wasserstoffs, des rezirkulierten Gasstroms und der weiteren zudosierten Luft. Aufgrund der sehr guten Vermischung kommt es dann typischerweise zu einer sehr guten und gleichmäßig über den Katalysator des Anodenraums verteilten Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserdampfs.In a further very favorable embodiment of this idea, it may be provided that the additional oxygen is metered in to achieve a stoichiometric mixture via an air conveying device and / or the gas jet pump through which the hydrogen flows as the propellant gas stream. The additional oxygen required, typically in the form of air, can therefore take place via an air conveying device, for example a blower provided for this purpose or else the air conveying device of the fuel cell system, which is normally present anyway for supplying air to the cathode compartment. Equally well, as an alternative or in addition to this, the gas jet pump optionally used for recirculation can be used by the additional oxygen is sucked in addition to the recirculated exhaust gas to maintain the recirculation, in addition to the recirculated exhaust gas, so as to the air or oxygen in the anode compartment or the To meter anode circuit. The particular advantage of this lies in the very good mixing of the hydrogen, the recirculated gas stream and the additional metered air. Due to the very good mixing, it then typically results in a very good and uniform over the catalyst of the anode compartment distributed reaction of hydrogen and oxygen to water vapor.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung hierzu kann es außerdem vorgesehen sein, dass der zusätzliche Sauerstoff zum Erreichen der stöchiometrischen Mischung aus einem Speichervolumen zudosiert wird. Über ein solches Speichervolumen, beispielsweise einen Druckluftspeicher, welcher beispielsweise in dem Brennstoffzellensystem oder in einem mit ihm ausgestatteten Fahrzeug ohnehin vorhanden ist, kann sehr einfach und effizient die Zudosierung der Luft als Sauerstofflieferant erfolgen. Genauso gut ist es möglich, ein derartiges Speichervolumen beispielsweise beim Abstellen des Systems mit Luft aus der Luftfördereinrichtung zu befüllen und die Luft entsprechend unter Druck vorzuhalten. Der Vorteil besteht darin, dass während der Startvorbereitungsprozedur dann keine zusätzliche elektrische Energie benötigt wird, da lediglich ein Öffnen des Wasserstoffdosierventils und gegebenenfalls eines Ventils des Speichervolumens notwendig ist, um Wasserstoff und Luft in den Bereich des Anodenraums bzw. des Anodenkreislaufs zu dosieren.In a further alternative embodiment, it can also be provided that the additional oxygen is metered in to reach the stoichiometric mixture from a storage volume. About such a storage volume, such as a compressed air reservoir, which is present anyway, for example in the fuel cell system or in a vehicle equipped with it, can be done very easily and efficiently the addition of air as an oxygen supplier. Just as well, it is possible to fill such a storage volume, for example, when turning off the system with air from the air conveyor and vorzuhalten the air under pressure. The advantage is that no additional electrical energy is required during the start preparation procedure, since only opening of the hydrogen metering valve and optionally a valve of the storage volume is necessary in order to meter hydrogen and air into the region of the anode space or the anode circulation.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems eignet sich insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche häufig gestartet werden müssen, wobei vor dem eigentlichen Start über die Sauerstoffmenge im Anodenraum der Zustand des Brennstoffzellensystems abgefragt wird. Bei Bedarf kann dann zur Verhinderung eines Air/Air-Starts Wasserstoff und gegebenenfalls Luft in den Anodenraum eindosiert werden, um hier ein Gemisch aus Wasserdampf und Stickstoff zu schaffen, welches während der eigentlichen Startprozedur der Brennstoffzelle für diese unkritisch ist. Das Verfahren eignet sich dementsprechend insbesondere für Systeme, welche häufig gestartet werden müssen, und welche häufig mit unterschiedlich langen Stillstandszeiten und Umgebungsbedingungen konfrontiert sind, sodass sich unterschiedliche Zustände des Brennstoffzellensystems einstellen. Insbesondere dann macht eine Abfrage vor der Durchführung einer eventuellen Startvorbereitungsroutine besonders viel Sinn, da dann der Zeit- und Energiebedarf für eine Startvorbereitungsroutine sicherlich in vielen Fällen eingespart werden kann. Brennstoffzellensysteme, welche häufig und unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gestartet werden müssen und bei denen die Zeit zwischen dem Abstellen und dem Wiederstart häufig sehr stark variiert, kommen insbesondere in Fahrzeugen vor, in denen die Brennstoffzellensysteme zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Die bevorzugte Verwendung des Verfahrens zum Starten eines Brennstoffzellensystems liegt demnach darin, ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug über das erfindungsgemäße Verfahren zu starten.The inventive method for starting a fuel cell system is particularly suitable in fuel cell systems, which must be started frequently, wherein before the actual start over the amount of oxygen in the anode compartment, the state of the fuel cell system is queried. If necessary, hydrogen and optionally air can then be metered into the anode compartment to prevent an air / air start, in order to create a mixture of water vapor and nitrogen which is not critical for the actual start procedure of the fuel cell. Accordingly, the method is particularly suitable for systems which must be started frequently, and which are often confronted with different lengths of downtime and environmental conditions, so that set different states of the fuel cell system. In particular, a query before carrying out a possible start preparation routine makes a lot of sense, since then the time and energy required for a startup preparation routine can certainly be saved in many cases. Fuel cell systems, which often have to be started under different environmental conditions and in which the time between switching off and restarting often varies greatly, occur in particular in vehicles in which the fuel cell systems are used to provide electrical drive power. The preferred use of the method for starting a fuel cell system is therefore to start a fuel cell system in a vehicle via the inventive method.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the method according to the invention emerge from the remaining dependent subclaims. Advantageous developments of the method and its use will become apparent from the embodiments, which are described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, in einem Fahrzeug; 1 a fuel cell system, which is suitable for carrying out the method according to the invention, in a vehicle;

2 ein Ablaufdiagramm zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 2 a flow chart for illustrating the method according to the invention; and

3 ein Detail des Brennstoffzellensystems analog zur Darstellung in 1 in einer weiteren alternativen Ausführungsform. 3 a detail of the fuel cell system analogous to the representation in 1 in a further alternative embodiment.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem beispielhaft angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung vorgesehen ist. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von PEM-Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgeführt ist. In der Brennstoffzelle 3 sind dabei in jeder der Einzelzellen ein Anodenbereich und ein Kathodenbereich vorhanden. Beispielhaft sind in der Darstellung der 1 ein Anodenraum 4 und ein Kathodenraum 5 in der Brennstoffzelle 3 dargestellt. Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Druckregel- und Dosierventil 7 zugeführt. Der Wasserstoff durchströmt dabei eine Gasstrahlpumpe 8 als Rezirkulationsfördereinrichtung und gelangt in den Anodenraum 4. Abgas aus dem Anodenraum 4 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück und wird von der Gasstrahlpumpe 8 angesaugt und vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 4 erneut zugeführt. Über einen in der Rezirkulationsleitung 9 angedeuteten Wasserabscheider 10 kann flüssiges Wasser und gegebenenfalls Gas beispielsweise von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des Füllstands an Wasser und/oder von Gaskonzentrationen abgelassen werden. Hierfür ist an dem Wasserabscheider eine Ablassleitung 11 mit einer entsprechenden Ventileinrichtung 12 angedeutet. Dieser Aufbau um den Anodenraum 4 wird insgesamt auch als Anodenkreislauf 14 bezeichnet.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 to recognize which in an exemplified vehicle 2 is provided for the provision of electrical drive power. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3 , which is typically designed as a stack of PEM single cells, as a so-called fuel cell stack. In the fuel cell 3 In this case, an anode region and a cathode region are present in each of the individual cells. Exemplary are in the representation of 1 an anode room 4 and a cathode compartment 5 in the fuel cell 3 shown. The anode compartment 4 becomes hydrogen from a compressed gas storage 6 via a pressure regulating and dosing valve 7 fed. The hydrogen flows through a gas jet pump 8th as a recirculation conveyor and enters the anode compartment 4 , Exhaust gas from the anode compartment 4 passes through a recirculation line 9 back and is from the gas jet pump 8th aspirated and mixed with fresh hydrogen to the anode compartment 4 fed again. About one in the recirculation line 9 indicated water separator 10 For example, liquid water and optionally gas may be drained from time to time, depending on the level of water and / or gas concentrations. For this purpose, a drainage line is at the water separator 11 with a corresponding valve device 12 indicated. This structure around the anode compartment 4 is also called anode circulation 14 designated.

Die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 wird über eine Luftfördereinrichtung 13 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luftfördereinrichtung 13 kann beispielsweise als Kompressor, Verdichter bzw. Strömungsverdichter ausgebildet sein. Die Luft wird über eine Zuluftleitung 15 in den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 geleitet. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 16 aus dem Kathodenraum. Sowohl in der Zuluftleitung 15 als auch in der Abluftleitung 16 wären weitere Komponenten denkbar, welche so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind. Dies könnten beispielsweise ein Ladeluftkühler, ein Befeuchter, eine Abluftturbine, ein katalytischer Brenner, ein Wasserabscheider oder dergleichen sein. Für die hier vorliegende Erfindung ist dies nicht weiter relevant, sodass auf eine detaillierte Darstellung derartiger Komponenten verzichtet worden ist. Gleichwohl können diese natürlich vorhanden sein.The cathode side of the fuel cell system 1 is via an air conveyor 13 supplied with air as an oxygen supplier. The air conveyor 13 can be configured for example as a compressor, compressor or flow compressor. The air is supplied via an air supply line 15 in the cathode compartment 5 the fuel cell 3 directed. Exhaust air passes through an exhaust air line 16 from the cathode compartment. Both in the supply air line 15 as well as in the exhaust air line 16 Other components would be conceivable which are known from the general state of the art. These could be for example a charge air cooler, a humidifier, an exhaust air turbine, a catalytic burner, a water separator or the like. This is not relevant for the present invention, so that a detailed description of such components has been dispensed with. Nevertheless, these can of course be present.

Die Besonderheit, welche das Brennstoffzellensystem 1 für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet macht, liegt bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 in einer Verbindungsleitung 17 zwischen der Zuluftleitung 15 und dem Anodenkreislauf 14. Diese Verbindungsleitung 17 ist über eine Ventileinrichtung 18, insbesondere ein 3/2-Wege-Ventil, mit der Zuluftleitung 15 verbunden. Je nach Stellung der Ventileinrichtung 18 kann Luft so über die Luftfördereinrichtung 13 ausschließlich in den Kathodenraum 5, ausschließlich über die Verbindungsleitung 17 in den Anodenkreislauf 14 und damit in den Anodenraum 4 oder sowohl in den Kathodenraum 5 als auch in den Anodenraum 4 geleitet werden. Die Verbindungsleitung 17 mündet dabei in Strömungsrichtung vor der Gasstrahlpumpe 8 in die Wasserstoffzuleitung, sodass die Luft zusammen mit dem Wasserstoffstrom durch die Gasstrahlpumpe 8 geschickt wird. Der entscheidende Vorteil ist hier eine sehr gute Vermischung der Gase untereinander, sodass diese entsprechend schnell und effizient am Katalysator des Anodenraums 4 zu Wasser reagieren können. Anstelle einer Verbindung der Verbindungsleitung 17 mit der Zuluftleitung 15 hinter der Luftfördereinrichtung 13 kann auch eine Verbindung vor der Luftfördereinrichtung 13, insbesondere jedoch nach einem Luftfilter vorgenommen werden, da die benötigte Förderleistung durch die Gasstrahlpumpe 8 aufgebracht wird und die Luftfördereinrichtung 13 hierfür nicht betrieben werden muss.The peculiarity of which the fuel cell system 1 makes suitable for the process according to the invention, lies in the in 1 illustrated embodiment of the fuel cell system 1 in a connection line 17 between the supply air line 15 and the anode circuit 14 , This connection line 17 is via a valve device 18 , in particular a 3/2-way valve, with the supply air line 15 connected. Depending on the position of the valve device 18 can air so through the air conveyor 13 exclusively in the cathode compartment 5 , exclusively via the connecting line 17 in the anode circuit 14 and thus in the anode compartment 4 or both in the cathode compartment 5 as well as in the anode room 4 be directed. The connecting line 17 opens in the flow direction in front of the gas jet pump 8th into the hydrogen supply, so that the air together with the hydrogen flow through the gas jet pump 8th is sent. The decisive advantage here is a very good mixing of the gases with each other, so that they are correspondingly fast and efficient on the catalyst of the anode compartment 4 can react to water. Instead of a connection of the connecting line 17 with the supply air line 15 behind the air conveyor 13 can also connect in front of the air conveyor 13 However, in particular be made after an air filter, since the required flow rate through the gas jet pump 8th is applied and the air conveyor 13 this does not have to be operated.

In der Darstellung der 2 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Ablaufdiagramm in einer möglichen Ausführungsform dargestellt. Das Ablaufdiagramm startet mit der Box „Das Brennstoffzellensystem 1 mit O2-Deletion abstellen”. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem 1 beim Abstellen an Sauerstoff abgereichert wird, beispielsweise so, dass bei bereits abgeschalteter Luftversorgungseinrichtung 13 so lange weiter Strom bzw. Leistung aus der Brennstoffzelle 3 entnommen wird, bis die Spannung an der Brennstoffzelle 3 unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt und der im Kathodenraum 5 befindliche Sauerstoff praktisch vollständig aufgebraucht ist.In the presentation of the 2 the sequence of the method according to the invention is shown in a flowchart in a possible embodiment. The flowchart starts with the box "The fuel cell system 1 with O 2 deletion ". This means that the fuel cell system 1 depleted of oxygen during shutdown, for example so that when already switched off air supply device 13 as long as power or power from the fuel cell 3 is removed until the voltage on the fuel cell 3 falls below a predetermined limit and that in the cathode compartment 5 contained oxygen is almost completely used up.

Nach diesem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 kommt es zu einer Stillstandszeit, welche in der zweiten Box symbolisiert ist. Während der Stillstandszeit treten im Wesentlichen drei unterschiedliche Zustände auf, welche mit der Zeit t, welche seit dem Abstellen des Brennstoffzellensystems vergangen ist, genauso zu tun haben, wie mit den Umgebungsbedingungen, in denen das Brennstoffzellensystem 1 bzw. das Fahrzeug 2, welches mit ihm ausgestattet ist, ausharrt. Nach einer ersten Zeit t1 nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems wird immer noch Wasserstoff (H2) im Anodenraum 4 vorhanden sein. Nachdem eine weitere Zeitspanne vergangen ist, wird zum Zeitpunkt t2 ausschließlich Stickstoff (N2) im Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 vorliegen, da Luft in den Anodenraum 4 eindiffundiert ist. Der Sauerstoff (O2) in der Luft reagiert dann mit dem vorhandenen Wasserstoff zu Wasserdampf, sodass zu dem Zeitpunkt t2 ausschließlich Wasserdampf, Stickstoff und in der Luft enthaltene weitere inerte Gase in dem Anodenraum vorhanden sind. Da sich der Mechanismus, das Luft in den Anodenraum 4 diffundiert, fortsetzt, wird nach einer weiteren Zeitspanne zum Zeitpunkt t3 dann ein Gemisch aus Stickstoff, Wasserdampf, inerten Gasen und insbesondere Sauerstoff in dem Anodenraum 4 vorliegen.After this shutdown of the fuel cell system 1 There is a downtime, which is symbolized in the second box. During the downtime essentially three different states occur, which have to do with the time t, which has elapsed since the shutdown of the fuel cell system, as well as with the ambient conditions in which the fuel cell system 1 or the vehicle 2 , which is equipped with him, endures. After a first time t 1 after switching off the fuel cell system is still hydrogen (H 2 ) in the anode compartment 4 to be available. After a further period of time has passed, at time t 2, only nitrogen (N 2 ) in the anode compartment 4 the fuel cell 3 present, as air in the anode compartment 4 has diffused. The oxygen (O 2 ) in the air then reacts with the existing hydrogen to form water vapor, so that at the time t 2 exclusively water vapor, nitrogen and other inert gases contained in the air are present in the anode compartment. As the mechanism, the air in the anode compartment 4 diffused, continues, after a further period of time at time t 3 then a mixture of nitrogen, water vapor, inert gases and in particular oxygen in the anode compartment 4 available.

Im nächsten Schritt wird nun die Sauerstoffmenge im Anodenraum 4 bestimmt. Hierfür kann beispielsweise die Messung über einen Sauerstoffsensor im Anodenraum 4 und/oder dem Anodenkreislauf 14 vorgenommen werden, oder es kann die Menge an Sauerstoff beispielsweise aus der Stillstandszeit und den gemessenen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Temperatur berechnet werden. Auch weitere Randbedingungen wie beispielsweise die Leistung des Brennstoffzellensystems 1 vor dem Abstellen, der Grad der vorhandenen Feuchtigkeit oder dergleichen lassen sich in die Berechnungen mit einbringen. Alternativ zu den Berechnungen ist auch eine reine Abschätzung möglich, beispielsweise in dem über eine Nachschlagetabelle die Sauerstoffkonzentration im Anodenraum 4 anhand von einfach zu bestimmenden Größen, wie beispielsweise der Zeit seit dem Stillstand und/oder von Temperaturen, entsprechend abgeschätzt wird. Liegt nun die Kenntnis über den gemessenen, berechneten oder abgeschätzten Sauerstoffgehalt in dem Anodenraum 4 vor, dann kann in einer ersten Abfrage geklärt werden, ob der kommende Start ein Air/Air-Start ist oder nicht. In den oben beschriebenen zu den Zeitpunkten t1 und t2 auftretenden Fällen wird dies typischerweise nicht der Fall sein. In dem oben beschriebenen zum Zeitpunkt t3 auftretenden Fall, wenn Sauerstoff in dem Anodenraum 4 vorliegt, wird dies typischerweise der Fall sein. Wird die Frage also verneint, dann kann mit der normalen Startprozedur das Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 unmittelbar gestartet werden. Ist von einem Air/Air-Start auszugehen, dann wird hingegen eine Startvorbereitungsroutine durchgeführt. Im Rahmen der Startvorbereitungsroutine wird zuerst die benötigte Wasserstoffmenge berechnet und zudosiert. Die Wasserstoffmenge wird dabei anhand von zwei Kriterien berechnet. Einerseits muss die Wasserstoffmenge mindestens so groß sein, dass sich im Verhältnis zum oben bestimmen Sauerstoffanteil im Anodenraum 4 eine stöchiometrische Mischung einstellt und Sauerstoff und Wasserstoff vollständig reagieren. Außerdem wird die Wasserstoffmenge 2 so hoch gewählt werden, dass eine ausreichende Rezirkulation über die Gasstrahlpumpe 8 in dem Anodenkreislauf 14 auftritt. Ist die dabei ermittelte Wasserstoffmenge größer als die Menge, welche zum Erreichen einer stöchiometrischen Mischung benötigt wird, dann wird in einer zusätzlichen Abfrage ermittelt, ob Luft nachdosiert werden muss, um mit dem darin enthaltenen Sauerstoff wieder eine stöchiometrische Mischung zu der zusätzlichen Wasserstoffmenge auszubilden und so für ein komplettes Aufbrauchen von Wasserstoff und Sauerstoff im Anodenraum 4 zu sorgen. Ist dies nicht der Fall, dann wird die Wasserstoffzufuhr über die Gasstrahlpumpe 8 und das Druckregel- und Dosierventil 7 gestartet. Ist dies der Fall, dann wird die erforderliche Sauerstoffmenge, welche zusätzliche dosiert werden muss, berechnet und die Sauerstoffzugabe im übernächsten Schritt veranlasst. Davor oder parallel hierzu wird auch in diesem Zweig des verfahrensgemäßen Ablaufs die Wasserstoffzufuhr über die Gasstrahlpumpe 8 gestartet. Anschließend erfolgt eine Abfrage, ob der Sauerstoff im Anodenraum 4 verbraucht ist. Falls ein Sauerstoffsensor im Anodenraum 4 vorhanden ist, kann dies über eine Messung erfolgen. Ist dies nicht der Fall, können die zuvor bei der Bestimmung der Sauerstoffmenge ermittelten Werte zusammen mit den für die Zudosierung von Wasserstoff und gegebenenfalls Sauerstoff berechneten Werten entsprechend verglichen werden. Ist der Sauerstoff im Anodenraum 4 verbraucht, beginnt anschließend die normale Startprozedur, da nun kein Air/Air-Start mehr zu befürchten ist. Ist dies nicht der Fall, dann wird die Schleife erneut durchlaufen, bis der Sauerstoff im Anodenraum 4 verbraucht ist, um dann die normale Startprozedur zu beginnen.The next step is now the amount of oxygen in the anode compartment 4 certainly. For this purpose, for example, the measurement via an oxygen sensor in the anode compartment 4 and / or the anode circuit 14 or the amount of oxygen can be calculated, for example, from the standstill time and the measured ambient conditions such as the temperature. Also other boundary conditions such as the performance of the fuel cell system 1 before shutdown, the degree of moisture present or the like can be included in the calculations. As an alternative to the calculations, a pure estimation is also possible, for example in the oxygen concentration in the anode space via a look-up table 4 is estimated on the basis of easily determinable quantities, such as the time since standstill and / or temperatures. Is now the knowledge of the measured, calculated or estimated oxygen content in the anode compartment 4 Before, then can be clarified in a first query, whether the upcoming start is an Air / Air start or not. In the cases described above occurring at times t 1 and t 2 , this will typically not be the case. In the above-described case occurring at time t 3 , when oxygen is in the anode compartment 4 This will typically be the case. If the question is answered in the negative then the fuel cell system can start with the normal start procedure 1 in the vehicle 2 be started immediately. If an air / air start is to be assumed, then a start preparation routine is carried out. As part of the start preparation routine, the required amount of hydrogen is first calculated and added. The amount of hydrogen is calculated using two criteria. On the one hand, the amount of hydrogen must be at least so large that in relation to the above-determined oxygen content in the anode compartment 4 sets a stoichiometric mixture and reacts completely with oxygen and hydrogen. In addition, the amount of hydrogen 2 be chosen so high that a sufficient recirculation via the gas jet pump 8th in the anode circuit 14 occurs. If the amount of hydrogen determined in this case is greater than the amount required to achieve a stoichiometric mixture, then it is determined in an additional query whether air must be metered in again to form a stoichiometric mixture with the oxygen contained therein to the additional amount of hydrogen and so for a complete exhaustion of hydrogen and oxygen in the anode compartment 4 to care. If this is not the case, then the hydrogen supply via the gas jet pump 8th and the pressure regulating and metering valve 7 started. If this is the case, then the required amount of oxygen, which must be dosed additional, calculated and the addition of oxygen caused in the next step. Before or parallel to this, the hydrogen supply via the gas jet pump is also in this branch of the process according to the process 8th started. Subsequently, a query is made as to whether the oxygen in the anode compartment 4 is consumed. If an oxygen sensor in the anode compartment 4 is present, this can be done via a measurement. If this is not the case, the values previously determined during the determination of the amount of oxygen can be correspondingly compared with the values calculated for the addition of hydrogen and optionally oxygen. Is the oxygen in the anode compartment? 4 consumed, then begins the normal startup procedure, since now no more Air / Air-Start is to be feared. If this is not the case, then the loop will run through again until the oxygen in the anode compartment 4 is consumed, then to start the normal startup procedure.

Im Rahmen der eigentlichen Startprozedur wird dann eine Versorgung des Anodenraums 4 mit Wasserstoff und des Kathodenraums 5 mit Sauerstoff veranlasst und Strom aus der Brennstoffzelle 3 gezogen. Dadurch, dass bei diesem Vorgang von dem frisch zudosierten Wasserstoff lediglich Inertgase durch den Anodenraum 4 vor dem Wasserstoff herwandern wird die gefürchtete Wasserstoff/Sauerstofffront im Anodenraum 4 verhindert und der Start kann sehr schonend für die Brennstoffzelle 3 erfolgen.As part of the actual startup procedure, a supply of the anode compartment is then 4 with hydrogen and the cathode compartment 5 caused by oxygen and electricity from the fuel cell 3 drawn. The fact that in this process of the freshly added hydrogen only inert gases through the anode compartment 4 The dreaded hydrogen / oxygen front in the anode space will migrate before the hydrogen 4 prevents and the start can be very gentle on the fuel cell 3 respectively.

In der Darstellung der 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsvariante zu erkennen. Hier ist ein Speichervolumen 20 zu erkennen, welches über eine Ventileinrichtung 21 mit dem Anodenkreislauf 14 verbunden ist. In dem Speichervolumen 20 kann Druckluft gespeichert sein. Diese kann beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Leitung während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 über die Luftfördereinrichtung 13 bereitgestellt worden sein. Sie ist unter entsprechendem Druck in dem Speichervolumen 20 gespeichert und kann bei Bedarf durch das Öffnen der Ventileinrichtung 21 zudosiert werden. Anstelle der gezeigten Verbindung zwischen der Ventileinrichtung 21 und dem Teil des Anodenkreislaufs 14 zwischen der Gasstrahlpumpe 8 und dem Anodenraum 4 wäre auch eine gestrichelt angedeutete Verbindung analog zur Darstellung in 1, nämlich in Strömungsrichtung des Wasserstoffstroms vor der Gasstrahlpumpe 8 zwischen der Anodenseite und der Ventileinrichtung 21 bzw. dem Speichervolumen 20 möglich. Alternativ dazu wäre anstelle des Speichervolumens 20 auch eine eigene Luftfördereinrichtung bzw. ein Gebläse denkbar, welches beispielsweise als 12 V-Gebläse ausgebildet sein kann, um so die Startvorbereitungsroutine beispielsweise mit einer Starterbatterie in dem Fahrzeug 2 durchzuführen, bevor eine typischerweise auch vorhandene Hochleistungsbatterie aktiviert wird. Dies hätte den Vorteil, dass während der Startroutine lediglich niedrige Spannungen in dem Fahrzeug 2 vorliegen. Im Gegensatz dazu hat das Speichervolumen 20 und auch der in 1 geschilderte Aufbau, insbesondere wenn dieser ohne den Betrieb der Luftfördereinrichtung 13 auskommt, den Vorteil, dass hier die Startvorbereitungsroutine ohne zusätzliche Energie durchgeführt werden kann, da lediglich die in dem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 6 ohnehin enthaltene Druckenergie entsprechend genutzt wird.In the presentation of the 3 is another possible embodiment to recognize. Here is a storage volume 20 to recognize which via a valve device 21 with the anode circuit 14 connected is. In the storage volume 20 compressed air can be stored. This can, for example, via a line not shown here during operation of the fuel cell system 1 over the air conveyor 13 have been provided. It is under appropriate pressure in the storage volume 20 stored and can if necessary by opening the valve device 21 be dosed. Instead of the connection shown between the valve device 21 and the part of the anode circuit 14 between the gas jet pump 8th and the anode compartment 4 would also be a dashed line indicated connection analogous to the representation in 1 , namely in the flow direction of the hydrogen stream in front of the gas jet pump 8th between the anode side and the valve device 21 or the storage volume 20 possible. Alternatively, instead of the storage volume 20 also a separate air conveyor or a blower conceivable, which may be formed for example as a 12 V blower, so as to start the preparation routine, for example, with a starter battery in the vehicle 2 before a typically existing high-performance battery is activated. This would have the advantage that during the start routine only low voltages in the vehicle 2 available. In contrast, the storage volume has 20 and also the in 1 described structure, especially if this without the operation of the air conveyor 13 gets the advantage that here the start preparation routine can be performed without additional energy, since only in the hydrogen from the compressed gas storage 6 anyway contained pressure energy is used accordingly.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (7)

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (5) aufweist, und bei welcher beim Abstellen der restliche Sauerstoff in dem Kathodenraum (5) der Brennstoffzelle (3) aufgebraucht worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startvorgangs und bevor elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle (3) gezogen wird, zuerst der Sauerstoffanteil im Anodenraum (4) zumindest mittelbar bestimmt wird, wonach in Abhängigkeit des Sauerstoffanteils im Anodenraum (4) eine Startprozedur mit Entnahme von elektrischer Leistung erfolgt oder eine Startvorbereitungsroutine durchgeführt wird, wobei während der Startvorbereitungsroutine Wasserstoff in der passenden Menge zudosiert wird, um eine im Wesentlichen stöchiometrische Mischung zu erzielen und den Sauerstoff im Anodenraum (4) aufzubrauchen, und wobei nach erfolgter Startvorbereitungsroutine die Startprozedur mit Entnahme von elektrischer Leistung erfolgt.Method for starting a fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ) containing an anode space ( 4 ) and a cathode compartment ( 5 ), and in which when stopping the remaining oxygen in the cathode space ( 5 ) of the fuel cell ( 3 ) has been consumed, characterized in that during the starting process and before electrical power from the fuel cell ( 3 ), first the oxygen content in the anode space ( 4 ) is determined at least indirectly, according to which, depending on the oxygen content in the anode space ( 4 a start-up procedure is performed with removal of electrical power or a start-up routine is carried out, during which hydrogen is added in the appropriate amount during the start-up routine in order to achieve a substantially stoichiometric mixture and the oxygen in the anode compartment ( 4 ), and wherein after the start preparation routine, the starting procedure takes place with removal of electrical power. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff über eine Gasstrahlpumpe (8) in einen Anodenkreislauf (14) um den Anodenraum (4) zudosiert wird, wobei die zudosierte Wasserstoffmenge so gewählt wird, dass eine Rezirkulation der Gasmenge im gesamten Anodenkreislauf (14) erzielt wird, und wobei falls dafür mehr Wasserstoff benötigt wird, als zum Erreichen einer zumindest stöchiometrischen Mischung mit dem im Anodenraum (4) vorhandenen Sauerstoff erforderlich ist, so viel Sauerstoff nachdosiert wird, bis eine zumindest stöchiometrische Mischung vorliegt.A method according to claim 1, characterized in that the hydrogen via a gas jet pump ( 8th ) into an anode circuit ( 14 ) around the anode compartment ( 4 ) is added, wherein the metered amount of hydrogen is chosen so that a recirculation of the amount of gas in the entire anode circuit ( 14 ) and in which case more hydrogen is needed than to achieve an at least stoichiometric mixture with the one in the anode compartment ( 4 ) oxygen is required, as much oxygen is metered in until an at least stoichiometric mixture is present. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Anodenraum (4) mit einem Sauerstoffsensor gemessen wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the oxygen content in the anode space ( 4 ) is measured with an oxygen sensor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Anodenraum (4) berechnet oder abgeschätzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the oxygen content in the anode space ( 4 ) is calculated or estimated. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Sauerstoffmenge zum Erreichen der zumindest stöchiometrischen Mischung über eine Luftfördereinrichtung (13) und/oder die vom Wasserstoff als Treibgasstrom durchströmte Gasstrahlpumpe (8) zudosiert wird.A method according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the additional amount of oxygen for reaching the at least stoichiometric mixture via an air conveyor ( 13 ) and / or the gas jet flowing through the hydrogen as a propellant gas stream ( 8th ) is metered. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Sauerstoffmenge aus einem Speichervolumen (20) zudosiert wird.Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the additional amount of oxygen from a storage volume ( 20 ) is metered. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1), welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug (2) verwendet wird.Use of the method according to one of claims 1 to 6, for starting a fuel cell system ( 1 ), which is used to provide electrical drive power in a vehicle ( 2 ) is used.
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