DE102014007013A1 - Process for heating a catalyst - Google Patents

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Marcel Gaidecka
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Elements (10) mit katalytisch aktivem Material in einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle (2), welcher kathoden- und anodenseitige Abgase enthält, wobei gezielt ein Wasserstoffüberschuss zu dem Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material geleitet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass hierzu die Brennstoffzelle (2) mit einem Wasserstoffüberschuss auf ihrer Anodenseite betrieben wird.The invention relates to a method for heating an element (10) with catalytically active material in an exhaust gas stream of a fuel cell (2), which contains cathode and anode side exhaust gases, with a targeted hydrogen excess is passed to the element (10) with the catalytically active material , The inventive method is characterized in that for this purpose the fuel cell (2) is operated with a hydrogen excess on its anode side.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Elements mit einem katalytisch aktiven Material in einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 und 3 näher definierten Art.The invention relates to a method for heating an element with a catalytically active material in an exhaust stream of a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1 and 3.

Elemente mit katalytisch aktiven Materialien werden im Abgas von Brennstoffzellensystemen sehr häufig eingesetzt. Sie können insbesondere die Aufgabe haben, Restwasserstoff in den Abgasen aus der Anodenseite mit Restsauerstoff in den Abgasen aus der Kathodenseite entsprechend umzusetzen, um so zu verhindern, dass es zu Wasserstoffemissionen in die Umgebung des Brennstoffzellensystems kommt. In einigen Anwendungsfällen ist als Zusatznutzen außerdem eine Turbine vorgesehen, welche Energie aus den heißen Abgasen dieser katalytischen Nachverbrennung nutzt, um die Wärmeenergie, insbesondere in elektrische Energie oder in Antriebsenergie für eine Luftfördereinrichtung umzuwandeln. In diesem Zusammenhang kann beispielhaft auf die DE 10 2011 108 598 A1 verwiesen werden. Ein derartiges System ist dort in zwei unterschiedlichen Ausführungsvarianten beschrieben. In der einen Ausführungsvariante wird lediglich Abgas aus der Brennstoffzelle umgesetzt, in einer anderen Ausführungsvariante kann zusätzlich optionaler Brennstoff aus einem Brennstoffspeicher für die Brennstoffzelle in den Bereich des Elements mit dem katalytisch aktiven Material zugeführt werden. Hierdurch ist ein Aufheizen des Elements mit dem katalytisch aktiven Material für den Fall eines Kaltstarts möglich.Elements with catalytically active materials are used very frequently in the exhaust gas of fuel cell systems. In particular, they may have the task of correspondingly converting residual hydrogen in the exhaust gases from the anode side with residual oxygen in the exhaust gases from the cathode side in order to prevent hydrogen emissions from entering the surroundings of the fuel cell system. In some applications, a turbine is also provided as an added benefit, which uses energy from the hot exhaust gases of this catalytic afterburning to convert the heat energy, in particular into electrical energy or drive energy for an air conveyor. In this context can be exemplified on the DE 10 2011 108 598 A1 to get expelled. Such a system is described there in two different embodiments. In one embodiment variant, only exhaust gas from the fuel cell is converted, in another embodiment, optional fuel from a fuel reservoir for the fuel cell in the region of the element with the catalytically active material can be additionally supplied. This makes it possible to heat the element with the catalytically active material in the event of a cold start.

Ein anderer Anwendungszweck für Elemente mit katalytisch aktivem Material in den Abgasstrecken von Brennstoffzellensystemen liegt darin, dass bei Brennstoffzellensystemen eventuelle Wasserstoffemissionen eine potentielle Gefahr darstellen, da ab einer kritischen Wasserstoffkonzentration von mehr als 4% in der Luft zündfähige Gemische entstehen können. Aus diesem Grund sind Wasserstoffsensoren sehr häufig in den Abgasen eines Brennstoffzellensystems angeordnet, um beispielsweise unerwünschte Wasserstoffemissionen aufgrund einer Undichtheit, eines Versagens der Membranen in der Brennstoffzelle oder dergleichen zuverlässig detektieren zu können, um so eine entsprechende Warnmeldung bzw. einen Alarm auszulösen und die Brennstoffzelle gegebenenfalls abzuschalten.Another application for elements with catalytically active material in the exhaust gas lines of fuel cell systems is that in fuel cell systems possible hydrogen emissions pose a potential danger, since from a critical hydrogen concentration of more than 4% in the air ignitable mixtures can arise. For this reason, hydrogen sensors are very often arranged in the exhaust gases of a fuel cell system, for example, to reliably detect unwanted hydrogen emissions due to leakage, failure of the membranes in the fuel cell or the like, so as to trigger a corresponding warning or alarm and the fuel cell, if necessary off.

Da herkömmlich aufgebaute Wasserstoffsensoren häufig sehr teuer und in ihrer Funktionalität, insbesondere für Fahrzeuganwendungen mit starken Wechseln in der Temperatur und einer sehr starken Belastung der Sensoren mit Feuchte sehr unzuverlässig in der Handhabung sind, können auch Elemente mit katalytisch aktivem Material zusammen mit Temperatursensoren eingesetzt werden, um eine kritische Wasserstoffkonzentration zu erfassen. Beispielhaft hinsichtlich eines solchen Aufbaus wird auf die Kombination eines Temperatursensors mit katalytischer Beschichtung und eines unbeschichteten Temperatursensors verwiesen, welche so aus der EP 1990858 B1 bekannt sind.Since conventionally constructed hydrogen sensors are often very expensive and very unreliable in their functionality, in particular for vehicle applications with strong changes in temperature and a very heavy load of the sensors with humidity, also elements with catalytically active material can be used together with temperature sensors, to detect a critical hydrogen concentration. By way of example, with regard to such a construction, reference is made to the combination of a temperature sensor with catalytic coating and an uncoated temperature sensor, which is thus known from US Pat EP 1990858 B1 are known.

Aus der nicht vorveröffentlichten älteren DE 10 2012 018 873.0 ist es außerdem bekannt, einen Katalysator mit einem Brennstoffzellensystem, wie an sich bekannt und beispielsweise oben beschrieben ist, mit einem Temperatursensor auszurüsten, um diesen alleine oder zusätzlich zur Umsetzung von Restwasserstoff auch als Konzentrationssensor für Wasserstoff verwenden zu können.From the not pre-published older DE 10 2012 018 873.0 It is also known to equip a catalyst with a fuel cell system, as known per se and described above, for example, with a temperature sensor in order to use this alone or in addition to the reaction of residual hydrogen as a concentration sensor for hydrogen.

All diese Elemente mit katalytisch aktiven Materialien im Abgas einer Brennstoffzelle haben dabei, und dies gilt insbesondere für Fahrzeuganwendungen, bei denen ein Start auch unter widrigen, beispielsweise feuchten und/oder sehr kalten Umgebungsbedingungen schnell und zuverlässig erfolgen muss, das Problem, dass sie, bis die Umsetzung von Wasserstoff startet, eine gewisse Zündtemperatur und Trockenheit erreicht haben müssen. Erst dann ist einerseits die zuverlässige Umsetzung von Restwasserstoff und andererseits der zuverlässige Einsatz als Konzentrationssensor für kritische Wasserstoffkonzentrationen möglich. Bei Katalysatoren zur Nachverbrennung von Restwasserstoff sind dabei, ähnlich wie bei Katalysatoren in der herkömmlichen Fahrzeugtechnik, elektrische Heizeinrichtungen bekannt. Diese belasten jedoch im Kaltstartfall die elektrischen Starterbatterien zusätzlich und weisen einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad auf, da die elektrische Energie immer zuerst erzeugt und dann mit einem Speicherwirkungsgrad des Energiespeichers zwischengespeichert werden muss, bevor sie wieder verwendet wird.All these elements with catalytically active materials in the exhaust gas of a fuel cell have, and this is particularly true for vehicle applications where a start must be made quickly and reliably under adverse, such as humid and / or very cold environmental conditions, the problem that they, until the implementation of hydrogen starts, must have reached a certain ignition temperature and dryness. Only then, on the one hand, can the reliable conversion of residual hydrogen and, on the other, reliable use as a concentration sensor for critical hydrogen concentrations become possible. In catalysts for afterburning of residual hydrogen are, similar to catalysts in conventional vehicle technology, electric heaters known. However, these burden in the cold start case, the electric starter batteries in addition and have a comparatively poor efficiency, since the electrical energy must always be generated first and then cached with a storage efficiency of the energy storage before it is used again.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Aufheizen eines Elements mit katalytisch aktivem Material im Abgas einer Brennstoffzelle anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und darüber hinaus einen Zusatznutzen schaffen kann.The object of the present invention is now to provide an improved method for heating an element with catalytically active material in the exhaust gas of a fuel cell, which avoids the disadvantages mentioned and moreover can provide an added benefit.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und/oder im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of claim 1 and / or in the characterizing part of claim 3. Advantageous embodiments of the methods are specified in the dependent subclaims.

Das erste erfindungsgemäße Verfahren, welches durch die Merkmale im Anspruch 1 beschrieben ist, nutzt ein herkömmliches Brennstoffzellensystem, bei dem das Element mit dem katalytisch aktiven Material insbesondere zur Umsetzung von Restwasserstoff vorgesehen ist, um Emissionen an die Umgebung zu verhindern. Zur Erwärmung bzw. Aufheizung des Elements mit katalytisch aktivem Material reicht es dann, so haben es die Erfinder erkannt, aus, wenn die Brennstoffzelle mit einem entsprechenden Wasserstoffüberschuss betrieben wird. Dieser Wasserstoff stellt einerseits eine gute Durchströmung der Brennstoffzelle selbst sicher, sodass eventuelle Feuchtigkeit, welche sich ggf. noch in der Brennstoffzelle befindet, sehr gut ausgetragen wird. Im Ergebnis gelangen dann in das Abgas der Brennstoffzelle vergleichsweise große Mengen an Wasserstoff, was potenziell zuerst einmal ein Nachteil zu sein scheint. Allerdings ist es durch die höhere Menge an Wasserstoff im Abgas sehr leicht möglich, eine Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material zu zünden. Diese kann insbesondere passiv erfolgen, kann gegebenenfalls jedoch auch durch eine Zündeinrichtung wie eine Zündkerze oder dergleichen unterstützt werden. Durch den gegenüber dem herkömmlichen Betrieb deutlichen Überschuss an Wasserstoff, sodass sich insbesondere Konzentrationen von mehr als zwei Volumenprozent in den gemeinsamen Abgasen aus Kathodenraum und Anodenraum einstellen, wird eine zuverlässige Zündung erreicht und durch die bei der Umsetzung von Wasserstoff mit dem Restsauerstoff in der Kathodenabluft entstehende Reaktionswärme wird das Element mit dem katalytisch aktivem Material sicher und zuverlässig erwärmt. Nachdem dieses die gewünschte Temperatur erreicht hat, kann zu einem Betrieb der Brennstoffzelle mit einer normalen Wasserstoffmenge gewechselt werden. Nachdem das Element mit dem katalytisch aktiven Material die Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Umsetzung auch sehr kleiner Restwasserstoffmengen in den Abgasen problemlos an dem katalytisch aktiven Material erfolgen.The first method according to the invention, which is described by the features in claim 1, uses a conventional fuel cell system, in which the element with the catalytically active material is provided, in particular for the conversion of residual hydrogen, to emissions to the Prevent environment. For heating or heating of the element with catalytically active material, it then suffices, as the inventors have recognized, when the fuel cell is operated with a corresponding excess of hydrogen. On the one hand, this hydrogen ensures good flow through the fuel cell itself, so that any moisture that may still be present in the fuel cell is discharged very well. As a result, comparatively large amounts of hydrogen then enter the exhaust gas of the fuel cell, which initially appears to be a disadvantage, at first. However, it is very easily possible by the higher amount of hydrogen in the exhaust gas to ignite a reaction of hydrogen and oxygen at the element with the catalytically active material. This can be done in particular passive, but may optionally also be supported by an ignition device such as a spark plug or the like. By over the conventional operation clearly surplus of hydrogen, so in particular set concentrations of more than two percent by volume in the common exhaust gases from the cathode compartment and anode compartment, a reliable ignition is achieved and by the resulting in the reaction of hydrogen with the residual oxygen in the cathode exhaust air Reaction heat is the element with the catalytically active material safely and reliably heated. After this has reached the desired temperature, can be changed to an operation of the fuel cell with a normal amount of hydrogen. After the element with the catalytically active material has reached the operating temperature, the implementation of very small amounts of residual hydrogen in the exhaust gases can be done easily on the catalytically active material.

Diese Vorheizung kann dabei nicht nur bei einem Element mit katalytisch aktivem Material erfolgen, welches zur Umsetzung von Restwasserstoff genutzt wird, sondern auch bei einem Element mit katalytisch aktivem Material, welches zusammen mit einem Temperatursensor als Wasserstoffkonzentrationssensor verwendet wird. Dies ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens so vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, den Wasserstoffkonzentrationssensor aufzuheizen und diesen von potenzieller Feuchtigkeit und/oder Eis zu befreien, um eine zuverlässige Funktionalität nach der erfolgten Aufheizung in jedem Fall sicherzustellen.This preheating can be done not only in an element with catalytically active material, which is used to convert residual hydrogen, but also in an element with catalytically active material, which is used together with a temperature sensor as a hydrogen concentration sensor. This is provided in accordance with an advantageous development of the method. This makes it possible to heat the hydrogen concentration sensor and to free it of potential moisture and / or ice, in order to ensure reliable functionality after the successful heating in each case.

Nun ist es natürlich grundsätzlich wünschenswert, die Funktionalität eines für die Sicherheit relevanten Wasserstoffkonzentrationssensors auch bereits dann zur Verfügung zu haben, wenn beispielsweise die Brennstoffzelle selbst noch gar nicht in Betrieb ist bzw. mit Wasserstoff versorgt ist. In der alternativen parallelen Ausgestaltung des Verfahrens kann es deshalb vorgesehen sein, dass das Element mit dem katalytisch aktiven Material zusammen mit einem Temperatursensor als Wasserstoffkonzentrationssensor vorgesehen ist, wobei der Wasserstoffüberschuss in einer Bypassleitung um die Brennstoffzelle zu dem Element geführt wird. Eine solche Leitung, welche direkt von dem Brennstoff- bzw. Wasserstoffspeicher zu dem Element führt, ermöglicht so ein Aufheizen und damit letztlich eine zuverlässige Inbetriebnahme des als Wasserstoffsensor verwendeten Elements mit dem katalytisch aktiven Material parallel zu oder vor dem Start der eigentlichen Brennstoffzelle, sodass die Sicherheit hierdurch weiter erhöht werden kann.Of course, it is of course fundamentally desirable to have the functionality of a hydrogen concentration sensor relevant to safety already available if, for example, the fuel cell itself is not yet in operation or is supplied with hydrogen. In the alternative parallel embodiment of the method, it can therefore be provided that the element with the catalytically active material is provided together with a temperature sensor as a hydrogen concentration sensor, wherein the excess of hydrogen is guided in a bypass line to the fuel cell to the element. Such a line, which leads directly from the fuel or hydrogen storage to the element, thus enabling heating and thus ultimately reliable startup of the element used as a hydrogen sensor with the catalytically active material parallel to or before the start of the actual fuel cell, so that the Safety can be further increased thereby.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der beiden beschriebenen Verfahren ist es ferner vorgesehen, dass der Wasserstoffüberschuss so eingestellt wird, dass sich eine Wasserstoffkonzentration von zwei bis vier Volumenprozent an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material einstellt. Insbesondere eine solche Wasserstoffkonzentration mit ca. zwei bis vier Volumenprozent an Wasserstoff in dem an dem Element anlangenden Gasgemisch ist von besonderem Vorteil für die erfindungsgemäßen Verfahren. Ab einer Konzentration von ca. zwei Volumenprozent an Wasserstoff in den Gasen erfolgt bei ausreichender Anwesenheit von Sauerstoff, was bei einer Durchströmung der Kathode der Brennstoffzelle im Allgemeinen immer sichergestellt ist, eine sichere und zuverlässige Zündung im Bereich des katalytisch aktiven Materials. Damit kann auch unter widrigen Bedingungen die Aufheizung des katalytischen aktiven Materials sicher und zuverlässig erfolgen. Idealerweise bleibt die Wasserstoffkonzentration dabei jedoch im zeitlichen Mittel über 3 Sekunden unter vier Volumenprozent, da ab einer Wasserstoffkonzentration von ca. vier Volumenprozent in Luft, was in diesem Falle beispielsweise bei einer Durchströmung der Kathode ohne gleichzeitige Wasserstoffdosierung in die Brennstoffzelle als Maximum der Sauerstoffkonzentration angenommen werden kann, zündfähige Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff entstehen können. Neben diesem Einhalten von Konzentrationen im zeitlichen Mittel über 3 Sekunden von maximal vier Volumenprozent darf die Konzentration selbst jedoch innerhalb dieser 3 Sekunden entsprechend schwanken, wobei Konzentrationsspitzen von bis zu acht Volumenprozent erreicht werden dürfen. Damit ist es möglich, kurze Konzentrationsspitzen von knapp acht Volumenprozent an Wasserstoff einzuleiten, um so beispielsweise auch unter sehr ungünstigen Bedingungen einen grundsätzlichen Umsatz des Wasserstoffs an dem Katalysator, also dessen sichere und zuverlässige Zündung, zu ermöglichen. Wird die Konzentration jedoch im zeitlichen Mittel unterhalb dieser vier Volumenprozent an Wasserstoff gehalten, dann kann in jedem Fall ausgeschlossen werden, dass ohne die Hilfe eines Katalysators zündfähige und damit potenziell sicherheitskritische Gemische entstehen und gegebenenfalls in die Umgebung gelangen können.In a further very favorable embodiment of the two methods described, it is further provided that the excess of hydrogen is adjusted so that sets a hydrogen concentration of two to four percent by volume of the element with the catalytically active material. In particular, such a hydrogen concentration with about two to four percent by volume of hydrogen in the gas mixture arriving at the element is of particular advantage for the processes according to the invention. From a concentration of about two percent by volume of hydrogen in the gases takes place with sufficient presence of oxygen, which is always ensured in a flow through the cathode of the fuel cell in general, a safe and reliable ignition in the range of the catalytically active material. Thus, even under adverse conditions, the heating of the catalytic active material can be done safely and reliably. Ideally, however, the hydrogen concentration during this time remains below four percent by volume for 3 seconds, since in this case, for example, a flow through the cathode without simultaneous hydrogen metering into the fuel cell is assumed to be the maximum oxygen concentration can form ignitable mixtures of hydrogen and oxygen. In addition to this maintenance of concentrations over a period of time of more than 3 seconds of a maximum of four percent by volume, however, the concentration itself may fluctuate correspondingly within these 3 seconds, whereby concentration peaks of up to eight percent by volume may be achieved. Thus, it is possible to initiate short concentration peaks of almost eight percent by volume of hydrogen, so as to allow, for example, even under very unfavorable conditions, a basic conversion of hydrogen to the catalyst, so its safe and reliable ignition. However, if the concentration is kept below this four volume percent of hydrogen over time, then it can be ruled out in each case that without the help of a catalyst ignitable and thus potentially safety-critical mixtures are formed and may possibly enter the environment.

In einer weiteren außerordentlich vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der Wasserstoffüberschuss dazu genutzt wird, den Temperatursensor, sofern dieser vorhanden ist, zu überprüfen und/oder zu kalibrieren. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass Wasserstoff durch die Brennstoffzelle oder bevorzugt um die Brennstoffzelle herum zu dem Element mit dem katalytisch aktiven Material geleitet wird, ohne das Wasserstoff in der Brennstoffzelle selbst aufgebraucht wird. Hierdurch kann vergleichsweise einfach bei typischerweise bekanntem Luftmassenstrom durch die Kathodenseite bzw. aus Erfahrung ausreichendem Sauerstoff und entsprechender Zudosierung von Wasserstoff beispielsweise in einer Bypassleitung um die Brennstoffzelle bei noch nicht mit Wasserstoff beaufschlagter Brennstoffzelle eine zuverlässige Vorhersage der an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material ankommenden Wasserstoffkonzentration getroffen werden. Damit ist immer wieder während oder insbesondere vor Inbetriebnahme des Systems die Funktionsüberprüfung und/oder Kalibrierung des Temperatursensors des Wasserstoffkonzentrationssensors möglich. Dies erhöht die Sicherheit des Systems erheblich, da eine solche vor oder während des Betriebs beispielsweise einer Anlage in einem Fahrzeug vorgenommene Kalibrierung des Wasserstoffkonzentrationssensors zu einer erheblich höheren Sicherheit führt, da sowohl die grundsätzliche Funktion des Wasserstoffkonzentrationssensors festgestellt als auch seine Kalibrierung neu eingestellt werden kann. Dies erfolgt in Abhängigkeit der an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material bereits aufgetretenen Alterung, beispielsweise einer Reduktion der katalytisch aktiven Masse durch thermische Effekte, Aufreißen oder Abplatzen von Beschichtungen oder dergleichen. Dies führt letztlich zu einer Erhöhung der Sicherheit.In a further extremely advantageous embodiment of the method according to the invention, it can now also be provided that the excess of hydrogen is used to check and / or to calibrate the temperature sensor, if present. This is especially true in the case that hydrogen is passed through the fuel cell or preferably around the fuel cell to the element with the catalytically active material without the hydrogen in the fuel cell itself being consumed. As a result, a reliable prediction of the hydrogen concentration arriving at the element with the catalytically active material can be achieved comparatively easily with typically known air mass flow through the cathode side or from experience of sufficient oxygen and hydrogen, for example in a bypass line around the fuel cell to be hit. Thus, the function check and / or calibration of the temperature sensor of the hydrogen concentration sensor is always possible during or in particular before the system is put into operation. This considerably increases the safety of the system, since such a calibration of the hydrogen concentration sensor carried out before or during operation of, for example, a system in a vehicle leads to a considerably higher safety, since both the fundamental function of the hydrogen concentration sensor can be determined and its calibration readjusted. This takes place as a function of the aging which has already occurred at the element with the catalytically active material, for example a reduction of the catalytically active material due to thermal effects, rupture or spalling of coatings or the like. This ultimately leads to an increase in security.

Auch während des Betriebs einer Brennstoffzelle kann eine solche Kalibrierung immer wieder durchgeführt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Anodenseite der Brennstoffzelle mit einem sogenannten Anodenkreislauf betrieben wird. Bei einem solchen Anodenkreislauf wird das Abgas aus der Anode im Kreislauf beispielsweise über eine Gasstrahlpumpe oder ein Rezirkulationsgebläse zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt und diesem typischerweise vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. In diesem Anodenkreislauf reichert sich dann mit der Zeit inertes Gas an, sodass die Abgase beispielsweise von Zeit zu Zeit aus diesem Anodenkreislauf abgelassen werden. In den Zeiten, in denen gerade kein Abgas aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird, gelangt bei diesem Aufbau im Bereich des Wasserstoffsensors nur die Abluft aus der Kathode an. Für den Fall, dass diese Abluft keine Wasserstoffemissionen enthält, was auf eine Undichtheit innerhalb der Brennstoffzelle hindeuten würde, misst der Wasserstoffkonzentrationssensor also in dieser Situation keinen Wasserstoff. Ist ein solches Messergebnis festgestellt worden, kann die Bypassleitung um die Brennstoffzelle kurz geöffnet werden, um eine entsprechende Menge an Wasserstoff direkt zu dem Element mit dem katalytisch aktiven Material zu führen. Die jetzt auftretende Temperaturerhöhung kann dann einerseits zur Funktionsüberprüfung des Wasserstoffkonzentrationssensors und andererseits zu seiner Kalibrierung eingesetzt werden. Dies kann während des regulären Betriebs erfolgen und zwar immer dann, wenn gerade keine Abgase aus dem Anodenkreislauf in den Bereich der Abgasleitung gelangen. Hierdurch wird die Sicherheit des Systems noch weiter erhöht, da eine Überprüfung der Funktionalität und eine Kalibrierung des Wasserstoffkonzentrationssensors so auch während des Betriebs einfach und effizient möglich wird und dementsprechend häufig vorgenommen werden kann, um eine hohe Zuverlässigkeit der Funktion des Wasserstoffsensors zu gewährleisten.Even during operation of a fuel cell, such a calibration can be performed again and again. This is especially true when the anode side of the fuel cell is operated with a so-called anode circuit. In such an anode circuit, the exhaust gas is recirculated from the anode in the circuit, for example via a gas jet pump or a recirculation fan to the input of the anode compartment and this fed again mixed typically with fresh hydrogen. In this anode cycle then inert gas accumulates over time, so that the exhaust gases are discharged, for example, from time to time from this anode circuit. In the times in which no exhaust gas is discharged from the anode circuit, only the exhaust air from the cathode arrives at this structure in the region of the hydrogen sensor. In the event that this exhaust air contains no hydrogen emissions, which would indicate a leakage within the fuel cell, the hydrogen concentration sensor does not measure hydrogen in this situation. Once such a measurement result has been established, the bypass line around the fuel cell can be briefly opened in order to lead a corresponding amount of hydrogen directly to the element with the catalytically active material. The now occurring temperature increase can then be used on the one hand for functional testing of the hydrogen concentration sensor and on the other hand for its calibration. This can be done during normal operation, and indeed whenever no exhaust gases from the anode circuit enter the region of the exhaust pipe. As a result, the security of the system is further increased, since a review of the functionality and calibration of the hydrogen concentration sensor so easily and efficiently during operation and thus can be made frequently to ensure high reliability of the function of the hydrogen sensor.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich außerdem aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the method according to the invention also result from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 1 a possible embodiment of a fuel cell system for carrying out the method according to the invention; and

2 eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, welches ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. 2 an alternative embodiment of a fuel cell system, which is also suitable for carrying out the method according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist sehr stark vereinfacht ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt, wie es beispielsweise in einem Fahrzeug zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden kann. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll, wie es für Fahrzeuganwendungen mittlerweile typisch ist, die Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut sein. Beispielhaft ist in der Brennstoffzelle 2 ein Kathodenraum 3 und ein Anodenraum 4 dargestellt. Dem Kathodenraum 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 5 zugeführt. Diese Luft gelangt über optionalen einen Gas/Gas-Befeuchter 6, in welchem sie befeuchtet wird, in den Anodenraum 3. Abluft aus dem Anodenraum 3, welche mit dem größten Teil des entstehenden Produktwassers beladen ist, gelangt wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 6 und befeuchtet darin die trockene Zuluft. Die Abluft gelangt dann über eine Abluftleitung 7 in eine Abgasleitung 8, in welcher ein Wasserabscheider 9 und ein Element 10 mit katalytisch aktivem Material angeordnet ist. Der optionale Wasserabscheider 9 sorgt dafür, dass keine oder nur sehr wenig Flüssigkeit in flüssiger Form in den Bereich des Elements 10 mit dem katalytisch aktiven Material gelangen. Das abgeschiedene Wasser wird der Abgasleitung 8 in Strömungsrichtung nach dem Element 10 wieder zugeführt, wofür eine Drainageleitung 11 vorgesehen ist.In the presentation of the 1 is very simplistic a fuel cell system 1 illustrated how it can be used for example in a vehicle for generating electrical drive power. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 , which is typically constructed as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack. In the exemplary embodiment shown here, as is typical for vehicle applications, the fuel cell 2 be constructed as a PEM fuel cell. An example is in the fuel cell 2 a cathode compartment 3 and an anode room 4 shown. The cathode compartment 3 Air becomes an oxygen supplier via an air conveyor 5 fed. This air is supplied via optional gas / gas humidifier 6 in which it is moistened, in the anode compartment 3 , Exhaust air from the anode compartment 3 , which with the most of the resulting product water is loaded, in turn passes through the gas / gas humidifier 6 and moisten the dry supply air in it. The exhaust air then passes through an exhaust duct 7 in an exhaust pipe 8th in which a water separator 9 and an element 10 is arranged with catalytically active material. The optional water separator 9 ensures that no or very little liquid in liquid form in the area of the element 10 get with the catalytically active material. The separated water becomes the exhaust pipe 8th in the direction of flow after the element 10 fed again, what a drainage line 11 is provided.

Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 12 über eine Druckregel- und -dosiereinrichtung 13 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über eine Gasstrahlpumpe 14, auf deren Funktionalität später noch eingegangen wird, in den Anodenraum 4. Restgase, insbesondere nicht verbrauchter Wasserstoff und durch die Membranen der Brennstoffzelle hindurchdiffundierende inerte Gase sowie inerte Reste, welche in dem gespeicherten Wasserstoff enthalten waren, gelangen zusammen mit dem kleineren im Bereich des Anodenraums 4 entstehenden Teil des Produktwassers über eine Rezirkulationsleitung 15 zurück zu der Gasstrahlpumpe 14. Durch Unterdruck und Impulsaustauscheffekte wird dieses rezirkulierte Abgas aus der Rezirkulationsleitung 15 angesaugt und vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 4 erneut zugeführt. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf 16 bezeichnet und ist allgemein bekannt und üblich. Um das Wasser und die inerten Gase, welche sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf 16 anreichern zumindest von Zeit zu Zeit ablassen zu können, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Anodenkreislaufs 16 ein Wasserabscheider 17 vorgesehen, welcher über eine Ablassleitung 18 mit der Abgasleitung 8 verbunden ist. Um das Ablassen von Wasser und Gas, den sogenannten Drain und Purge, entsprechend steuern zu können, ist ein Abblasventil 19, ein sogenanntes Purgeventil, vorgesehen. Wird dieses geöffnet, gelangt zuerst Wasser und anschließend Gas über die Ablassleitung 18 in die Abgasleitung 8. Genauso gut wäre es möglich, das Ablassen von Wasser und das Abblasen der Gase in zwei Leitungen und Ventile zu trennen, was im Stand der Technik ebenfalls häufig vorgesehen ist.The anode compartment 4 the fuel cell 2 becomes hydrogen from a compressed gas storage 12 via a pressure regulating and metering device 13 fed. The hydrogen passes through a gas jet pump 14 , whose functionality will be discussed later, in the anode compartment 4 , Residual gases, in particular unconsumed hydrogen and inert gases which diffuse through the membranes of the fuel cell and inert radicals which were contained in the stored hydrogen, arrive together with the smaller one in the region of the anode space 4 resulting part of the product water via a recirculation line 15 back to the gas jet pump 14 , By vacuum and pulse exchange effects of this recirculated exhaust gas from the recirculation line 15 aspirated and mixed with fresh hydrogen to the anode compartment 4 fed again. This structure is also called anode circuit 16 and is well known and commonplace. To the water and the inert gases, which with time in the anode cycle 16 accumulate at least from time to time to be able to drain is in the embodiment of the anode circuit shown here 16 a water separator 17 provided, which via a drain line 18 with the exhaust pipe 8th connected is. In order to control the discharge of water and gas, the so-called drain and purge, is a blow-off valve 19 , a so-called purge valve, provided. When this is opened, first water and then gas via the drain line 18 in the exhaust pipe 8th , It would equally well be possible to separate the discharge of water and the blowing off of the gases into two lines and valves, which is also frequently provided in the prior art.

In der Darstellung der 2 ist ein alternativer Aufbau dargestellt, welcher weitgehend dem soeben beschriebenen Aufbau entspricht. Der einzige Unterschied besteht darin, dass eine Brennstoffbypassleitung 20 mit einem entsprechenden Ventil 21 vorgesehen ist, über welche Wasserstoff direkt, also an der Brennstoffzelle 2 vorbei, in die Abgasleitung 8 geleitet werden kann, und zwar in Strömungsrichtung vor dem Element 10 mit dem katalytisch aktiven Material.In the presentation of the 2 an alternative structure is shown, which largely corresponds to the structure just described. The only difference is that a fuel bypass line 20 with a corresponding valve 21 is provided, via which hydrogen directly, so at the fuel cell 2 over, into the exhaust pipe 8th can be directed, in the flow direction in front of the element 10 with the catalytically active material.

Da das Element mit dem katalytisch aktiven Material beispielsweise zur Umsetzung von Restwasserstoff in der Abgasleitung 8 eingesetzt werden soll, und/oder auch in Kombination mit einem optionalen Temperatursensor 22 als Wasserstoffkonzentrationssensor, ist seine volle Funktionalität während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 von entscheidender Bedeutung. Nun kann es jedoch dazu kommen, dass das Element 10 mit dem katalytisch aktiven Material beim Start des Brennstoffzellensystems 1 mit Eis und/oder Wasser belegt ist, sodass das Element 10 mit dem katalytisch aktiven Material zuerst aufgeheizt werden muss, bevor eine sichere Funktionalität gewährleistet ist. Gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren kann dies nun so erfolgen, dass das Brennstoffzellensystem 1 mit einem Wasserstoffüberschuss betrieben wird, sodass eine entsprechend hohe Menge an Wasserstoff an dem Element 10 anlangt und dieses entsprechend zündet und sich durch die Reaktionswärme von Wasserstoff und Sauerstoff aufheizt.As the element with the catalytically active material, for example, for the implementation of residual hydrogen in the exhaust pipe 8th is to be used, and / or in combination with an optional temperature sensor 22 As a hydrogen concentration sensor, its full functionality is during operation of the fuel cell system 1 crucial. Now, however, it can happen that the item 10 with the catalytically active material at the start of the fuel cell system 1 is covered with ice and / or water, so the element 10 must first be heated with the catalytically active material before safe functionality is ensured. According to the inventive method, this can now be done so that the fuel cell system 1 is operated with a hydrogen excess, so that a correspondingly high amount of hydrogen on the element 10 arrives and this ignites accordingly and heats up by the heat of reaction of hydrogen and oxygen.

Dies kann beispielsweise bei der Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 so erfolgen, dass das Brennstoffzellensystem 1 gestartet wird, wofür durch die Luftfördereinrichtung 5 Luft durch den Kathodenraum 3 gefördert wird. Gleichzeitig oder mit zeitlichem Abstand vor oder nach dem Start der Luftversorgung wird die Wasserstoffversorgung des Anodenraums 4 aufgenommen, in diesem Fall bei geöffnetem Purgeventil 19. Dann gelangt der nicht umgesetzte Wasserstoff zusammen mit der gegebenenfalls an Sauerstoff abgereicherten Abluft an das Element 10 mit dem katalytisch aktiven Material. Wird nun eine entsprechende hohe Menge an Wasserstoff verwendet, also ein Wasserstoffüberschuss gegenüber der Wasserstoffmenge, welche zur Erzeugung der gewünschten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 2 notwendig wäre, dann kann, durch die sich ab einer Wasserstoffkonzentration von ca. zwei Volumenprozent in dem Abgas sehr sicher ausbildende katalytische Reaktion, das Element 10 aufgeheizt werden. Sobald dieses zuverlässig funktioniert, was beispielsweise über den optionalen Temperatursensor 22 festgestellt werden kann oder was aus Erfahrungswerten nach einer gewissen Zeitspanne typischerweise der Fall ist, kann dann in den regulären an sich bekannten Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 gewechselt werden.This can, for example, in the representation of the fuel cell system 1 according to 1 done so that the fuel cell system 1 is started, for what by the air conveyor 5 Air through the cathode compartment 3 is encouraged. At the same time or with a time interval before or after the start of the air supply, the hydrogen supply of the anode compartment 4 recorded, in this case with open purge valve 19 , Then the unreacted hydrogen reaches the element together with the optionally depleted in oxygen exhaust air 10 with the catalytically active material. If now a corresponding high amount of hydrogen is used, that is to say an excess of hydrogen relative to the amount of hydrogen used to generate the desired electrical power of the fuel cell 2 would be necessary, then, by the starting from a hydrogen concentration of about two percent by volume in the exhaust gas very reliably forming catalytic reaction, the element 10 be heated. Once this works reliably, such as the optional temperature sensor 22 can be determined or what is typically the case from experience after a certain period of time, can then in the regular per se known operation of the fuel cell system 1 change.

In dem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 gibt es ergänzend oder alternativ dazu auch die Möglichkeit, Wasserstoff bei laufender Luftversorgung der Brennstoffzelle 3 über die Wasserstoffbypassleitung 20 in den Bereich des Elements 10 mit dem katalytisch aktiven Material zu fördern, um so ohne die Brennstoffzelle 2 selbst mit Wasserstoffüberschuss betreiben zu müssen bzw. auch ohne die Brennstoffzelle 2 bereits mit Wasserstoff versorgen zu müssen, dass Element 10 aufzuheizen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei dem Element 10 um einen Wasserstoffkonzentrationssensor handelt oder um einen Katalysator, welcher als solcher verwendet wird. Hierdurch kann, bevor die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle 2 selbst aufgenommen wird, die Betriebstemperatur des Elements 10 erreicht werden, was zu einer Verbesserung der Funktionalität und damit letztlich zur Erhöhung der Sicherheit beiträgt.In the embodiment of the fuel cell system 1 according to 2 In addition or as an alternative, there is also the option of hydrogen while the air supply to the fuel cell is running 3 via the hydrogen bypass line 20 in the area of the element 10 with the catalytically active material to promote, so without the fuel cell 2 Even with excess hydrogen to operate or even without the fuel cell 2 already have to supply with hydrogen that element 10 heat. This is particularly advantageous when it comes to the element 10 is a hydrogen concentration sensor or a catalyst used as such. This allows, before the hydrogen supply to the fuel cell 2 itself is recorded, the operating temperature of the element 10 be achieved, which contributes to an improvement in functionality and thus ultimately to increase security.

In beiden Fällen, insbesondere jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, ist es darüber hinaus möglich, bei der Verwendung des Elements 10 mit dem katalytisch aktiven Material zusammen mit dem Temperatursensor 22 als Wasserstoffkonzentrationssensor eine Eigendiagnose desselben vorzunehmen. Die Funktionalität lässt sich prüfen, indem gezielt eine Menge an Wasserstoff zu dem Element 10 geleitet wird, um dann zu prüfen, ob dies zu dem gewünschten Temperaturausschlag führt. Lässt sich die Menge an Wasserstoff einstellen, beispielsweise über die Wasserstoffbypassleitung bei noch nicht versorgter Anodenseite der Brennstoffzelle oder auch während des Betriebs bei geschlossenem Purgeventil 19, dann kann neben der prinzipiellen Funktionsprüfung der Eigendiagnose auch eine Kalibrierung mit vorgenommen werden. Gelangt beispielsweise eine Wasserstoffmenge in der Größenordnung von drei Volumenprozent zu dem Element 10, müsste dies nach einer gewissen Erfahrung einen Temperaturanstieg um einen vorgegebenen Temperaturwert bewirken. Dies kann entsprechend überprüft werden. Werden verschiedene Wasserstoffkonzentrationen zu dem Element 10 geleitet, dann kann außerdem eine Kalibrierung auf diese Wasserstoffkonzentrationen direkt erfolgen, sodass beispielsweise während des Betriebs aufgetretene Alterungseffekte im Bereich des Elements 10 mit dem katalytisch aktiven Material erkannt und adaptiv berücksichtigt werden können, sodass unabhängig vom Alterungszustand des Elements 10 immer eine zuverlässige Messung einer Wasserstoffkonzentration bei der Verwendung des Elements 10 als Wasserstoffkonzentrationssensor möglich ist.In both cases, but especially in the embodiment according to 2 Moreover, it is possible when using the item 10 with the catalytically active material together with the temperature sensor 22 as a hydrogen concentration sensor to do a self-diagnosis of the same. The functionality can be tested by selectively adding a quantity of hydrogen to the element 10 is then checked to see if this leads to the desired temperature swing. Is it possible to adjust the amount of hydrogen, for example via the hydrogen bypass line when the anode side of the fuel cell is not yet supplied, or during operation when the purge valve is closed 19 , in addition to the basic functional test of the self-diagnosis, a calibration can also be carried out. For example, if an amount of hydrogen of the order of three percent by volume comes to the element 10 , this would have to cause a temperature increase by a predetermined temperature value after a certain experience. This can be checked accordingly. Be different hydrogen concentrations to the element 10 In addition, a calibration can be made directly to these hydrogen concentrations, so that, for example, aging effects occurring in the area of the element during operation 10 be recognized with the catalytically active material and adaptively taken into account, so that regardless of the aging state of the element 10 always a reliable measurement of a hydrogen concentration when using the element 10 as a hydrogen concentration sensor is possible.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (7)

Verfahren zum Aufheizen eines Elements (10) mit katalytisch aktivem Material in einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle (2), welcher kathoden- und anodenseitige Abgase enthält, wobei gezielt ein Wasserstoffüberschuss zu dem Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu die Brennstoffzelle (2) mit einem Wasserstoffüberschuss auf ihrer Anodenseite betrieben wird.Method for heating an element ( 10 ) with catalytically active material in an exhaust gas stream of a fuel cell ( 2 ), which contains cathode and anode-side exhaust gases, specifically an excess of hydrogen to the element ( 10 ) is conducted with the catalytically active material, characterized in that for this purpose the fuel cell ( 2 ) is operated with an excess of hydrogen on its anode side. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material zusammen mit einem Temperatursensor (22) als Wasserstoffkonzentrationssensor verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that the element ( 10 ) with the catalytically active material together with a temperature sensor ( 22 ) is used as the hydrogen concentration sensor. Verfahren zum Aufheizen eines Elements (10) mit katalytisch aktivem Material in einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle (2), welcher kathoden- und anodenseitige Abgase enthält, wobei gezielt ein Wasserstoffüberschuss zu dem Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material zusammen mit einem Temperatursensor (22) als Wasserstoffkonzentrationssensor verwendet wird, wobei der Wasserstoffüberschuss im Bypass um die Brennstoffzelle (2) zu dem Element (10) geführt wird.Method for heating an element ( 10 ) with catalytically active material in an exhaust gas stream of a fuel cell ( 2 ), which contains cathode and anode-side exhaust gases, specifically an excess of hydrogen to the element ( 10 ) is conducted with the catalytically active material, characterized in that the element ( 10 ) with the catalytically active material together with a temperature sensor ( 22 ) is used as a hydrogen concentration sensor, wherein the excess of hydrogen in the bypass around the fuel cell ( 2 ) to the element ( 10 ) to be led. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffüberschuss so gewählt wird, dass eine Wasserstoffkonzentration von zwei bis vier Volumenprozent in dem Abgasstrom an dem Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material ankommt.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the excess of hydrogen is chosen so that a hydrogen concentration of two to four percent by volume in the exhaust gas stream at the element ( 10 ) arrives with the catalytically active material. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffüberschuss zur Funktionsprüfung und/oder Kalibrierung des Temperatursensors (22) verwendet wird.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the excess of hydrogen for functional testing and / or calibration of the temperature sensor ( 22 ) is used. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung und/oder Kalibrierung des Temperatursensors (22) vor und/oder während des Betriebs der Brennstoffzelle (2) immer nur dann erfolgt, wenn gerade kein Wasserstoff durch den Anodenraum zu dem Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material strömt.A method according to claim 5, characterized in that the functional test and / or calibration of the temperature sensor ( 22 ) before and / or during operation of the fuel cell ( 2 ) takes place only when no hydrogen is passing through the anode space to the element ( 10 ) flows with the catalytically active material. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennstoffzelle (2) mit Anodenkreislauf (16) mit einem Abblasventil (19) der Wasserstoffüberschuss zur Funktionsprüfung und/oder Kalibrierung des Temperatursensors (22) vor oder während des Betriebs immer nur dann erfolgt, wenn kein Abgas aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird.A method according to claim 5 or 6, characterized in that in a fuel cell ( 2 ) with anode circuit ( 16 ) with a blow-off valve ( 19 ) the excess of hydrogen for functional testing and / or calibration of the temperature sensor ( 22 ) takes place before or during operation only when no exhaust gas is discharged from the anode circuit.
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