DE102014104380B3 - A method of operating a blower to deliver hydrogen in a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Es sind Verfahren zum betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Förderrad des Gebläses (12) durch einen Elektromotor (17) angetrieben wird und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems der Elektromotor (17) in einer Abschaltprozedur zumindest zeitweise weiterbetrieben wird, bekannt. Diese nutzen zur Sicherstellung eines Anlaufs üblicherweise entweder Spülgas oder eine Heizung. Um diesen zusätzlichen Aufwand zu vermeiden wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass nach dem Abschalten 0des Brennstoffzellensystems in einem ersten Schritt die Bestromung des Elektromotors (17) über einen festgelegten Zeitraum unterbrochen wird und in einem zweiten Schritt der Elektromotor (17) zur Erzeugung einer Bewegung des Gebläses (12) bestromt wird, wobei der erste und zweite Schritt mehrmals hintereinander wiederholt werden.There are methods for operating a fan (12) for the promotion of hydrogen in a fuel cell system, wherein during operation of the fuel cell system, a delivery wheel of the blower (12) by an electric motor (17) is driven and after switching off the fuel cell system, the electric motor (17) in a shutdown procedure is continued at least temporarily, known. These usually use either purge gas or a heater to ensure a start-up. In order to avoid this additional expense, it is proposed according to the invention that, after switching off the fuel cell system, in a first step, the energization of the electric motor (17) is interrupted for a fixed period of time and in a second step the electric motor (17) for generating a movement of the fan ( 12) is energized, wherein the first and second steps are repeated several times in succession.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Förderrad des Gebläses durch einen Elektromotor angetrieben wird und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems der Elektromotor in einer Abschaltprozedur zumindest zeitweise weiterbetrieben wird.The invention relates to a method for operating a blower for the promotion of hydrogen in a fuel cell system, wherein during operation of the fuel cell system, a delivery wheel of the blower is driven by an electric motor and after switching off the fuel cell system, the electric motor is operated at least temporarily in a shutdown procedure.

Wasserstoffgebläse werden zur Zirkulation von Wasserstoff mit einem zumeist hohen Wasseranteil in den Anodengaskreisläufen von Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Diese Brennstoffzellensysteme dienen zur Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff und eines Oxidationsmittels, zumeist Sauerstoff, in elektrische Energie, die beispielsweise als Antriebsenergie für Fahrzeuge verwendet werden kann. Der Antrieb dieser Gebläse erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden.Hydrogen blowers are used for the circulation of hydrogen with a mostly high water content in the anode gas circuits of fuel cell systems. These fuel cell systems serve to convert chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, in particular hydrogen and an oxidant, usually oxygen, into electrical energy, which can be used, for example, as drive energy for vehicles. The drive of these blowers usually takes place via electric motors which are supplied with voltage via the vehicle battery during operation in vehicles.

Im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzellensysteme setzt sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Wasseranteil an den Verrohrungen des Systems aber auch an den rotierenden Teilen des Gebläses wie Lager, Welle oder Laufrad ab. Bei einem Neustart des Brennstoffzellensystems kann dies bei zu großer Eisbrückenbildung zu einem Blockieren des Motors führen, wodurch ein Anlauf des Systems verhindert wird.When the fuel cell systems are switched off, the water content at the system piping but also at the rotating parts of the fan such as the bearing, shaft or impeller settles at low ambient temperatures. At a restart of the fuel cell system, this can lead to a blockage of the engine at too much ice bridge formation, whereby a startup of the system is prevented.

Zur Lösung dieses Problems wurde zunächst vorgeschlagen, mittels eines trockenen Spülgases das Wasser aus dem System auszutreiben. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der DE 103 14 820 A1 beschrieben.To solve this problem, it was first proposed to expel the water from the system by means of a dry purge gas. Such a method is used, for example, in DE 103 14 820 A1 described.

Um zu verhindern, dass zusätzliche Spülgase transportiert werden müssen, was insbesondere bei mobilen Anwendungen zu einem unerwünschten zusätzlichen Aufwand führt, sind verschiedene Verfahren bekannt geworden, mit denen eine solche Eisbrückenbildung ohne die Verwendung zusätzlicher Spülgase verhindert oder aufgebrochen werden soll. Dabei ist zwischen Verfahren zu unterscheiden, bei denen vor dem Start des Systems die Eisbildung aufgehoben werden soll und solchen Verfahren, die entsprechende Prozeduren beim Abschalten des Systems durchführen.In order to prevent additional purge gases must be transported, which leads to an undesirable additional expense especially in mobile applications, various methods have become known with which such ice bridge formation without the use of additional purge gases to be prevented or broken. A distinction must be made between methods in which ice formation is to be abolished before the system is started and those methods which carry out corresponding procedures when switching off the system.

Die DE 101 37 847 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Temperaturen im Gefrierbereich des Wassers auftreten können. Um ein Einfrieren der Brennstoffzelle zu vermeiden, wird ein die katalytische Reaktion nicht beeinflussender zusätzlicher Stoff wie Methanol, der bei der zu erwartenden Gefriertemperatur flüssig und sonst gasförmig ist, zusätzlich in den Brennstoffzellenstapel eingeblasen.The DE 101 37 847 A1 discloses a method of operating a fuel cell system where temperatures in the freezing area of the water may occur. In order to avoid freezing of the fuel cell, an additional substance not influencing the catalytic reaction, such as methanol, which is liquid and otherwise gaseous at the expected freezing temperature, is additionally injected into the fuel cell stack.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2005 004 388 A1 eine Aufweckstrategie für Fahrzeuge bekannt, mit der ein Brennstoffzelleneinfrieren verhindert werden soll. Hierzu wird bei Unterschreiten einer definierten Temperaturschwelle der Brennstoffzellenstapel zur Entfernung des Wassers mit einem Spülgas gespült.Furthermore, from the DE 10 2005 004 388 A1 a wake-up strategy for vehicles is known, with the fuel cell freezing is to be prevented. For this purpose, the fuel cell stack is purged to remove the water with a purge gas falls below a defined temperature threshold.

Zusätzlich wird in der DE 10 2007 029 420 A1 eine Wassermanagementstrategie für Brennstoffzellensysteme offenbart, bei der in Abhängigkeit definierter Bedingungen beim Abschalten ein Spülgas in die Reaktandenströmungskanäle geleitet wird. Periodisch werden diese Bedingungen im Folgenden geprüft und gegebenenfalls die Spülung vorgenommen.In addition, in the DE 10 2007 029 420 A1 discloses a water management strategy for fuel cell systems in which a purge gas is passed into the Reaktandenströmungskanäle depending on defined conditions when switching off. Periodically, these conditions are checked below and, if necessary, the rinsing is carried out.

Aus der DE 10 2010 035 039 A1 ist es bekannt, vor dem Neustart des Brennstoffzellensystems die Statorwicklungen des Antriebsmotors des Gebläses zu bestromen, um auf diese Weise die Wicklungen als Heizkörper zu verwenden, durch die das Eis geschmolzen wird. Problematisch ist hier jedoch, dass die Aufheizenergie außerhalb der Wasserstoff führenden Leitungen aufgebracht wird, so dass zum Aufheizen sehr viel Energie benötigt wird. Des Weiteren entsteht eine Verzögerung des Neustarts.From the DE 10 2010 035 039 A1 It is known to energize before the restart of the fuel cell system, the stator windings of the drive motor of the fan, in order to use the windings as a heater in this way, through which the ice is melted. However, the problem here is that the heating energy is applied outside the hydrogen-carrying lines, so that a lot of energy is needed for heating. Furthermore, there is a delay of the restart.

In der DE 10 2008 031 280 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem unmittelbar vor und hinter dem Gebläse eine Klappe angeordnet wird, die bei Abschalten des Systems geschlossen wird, so dass kein Wasser in Richtung des Gebläses strömen kann. Dies erfordert jedoch einen erhöhten apparativen Aufwand.In the DE 10 2008 031 280 A1 a method is proposed in which immediately before and behind the blower, a flap is arranged, which is closed when switching off the system, so that no water can flow in the direction of the blower. However, this requires an increased expenditure on equipment.

Des Weiteren ist es aus der DE 10 2008 058 959 A1 bekannt, nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems bei geöffnetem Ablassventil das Gebläse nachlaufen zu lassen, wobei im Bereich des Gebläses eine Wärmequelle vorgesehen ist, durch die eine Beheizung des Brennstoffzellensystems erfolgt. So soll die im System vorhandene Feuchtigkeit entfernt werden, wodurch ein schneller Neustart ermöglicht wird. Allerdings ist bei diesem System aufgrund der einzubringenden üblicherweise elektrischen Heizenergie erneut ein hoher Energieaufwand erforderlich.Furthermore, it is from the DE 10 2008 058 959 A1 it is known to run after the shutdown of the fuel cell system with the discharge valve open, the fan, wherein in the region of the blower, a heat source is provided through which takes place a heating of the fuel cell system. This is to remove the moisture present in the system, allowing a quick reboot. However, this system again requires a large amount of energy due to the usually electrical heating energy to be introduced.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Festfrieren der sich drehenden Bauteile des Gebläses und des damit verbundenen Elektromotors vermieden werden kann, ohne dass weitere Bauteile benötigt werden oder ein erhöhter montagetechnischer Aufwand entsteht. Des Weiteren soll im Vergleich zu bekannten Ausführungen der Energieaufwand reduziert werden und eine Förderung des Wasserstoffs ohne Aufwärmzeit unmittelbar nach Start des Systems ermöglicht werden.It is therefore an object of the invention to provide a method for operating a blower for the promotion of hydrogen in a fuel cell system, with the freezing of the rotating components of the fan and the associated electric motor can be avoided without further components are needed or a increased mounting effort arises. Furthermore, in comparison with known designs, the energy consumption is to be reduced and a delivery of the hydrogen without warm-up time immediately after the start of the system is made possible.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method for operating a blower for conveying hydrogen in a fuel cell system with the features of the main claim 1.

Dadurch, dass nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems in einem ersten Schritt die Bestromung des Elektromotors unterbrochen wird bis das Förderrad des Gebläses still steht und in einem zweiten Schritt der Elektromotor zum Antrieb des Gebläses bestromt wird, wobei der erste und zweite Schritt mehrmals hintereinander wiederholt werden, wird erreicht, dass der Elektromotor und damit das Förderrad der Pumpe immer wieder zu einem Zeitpunkt bewegt werden, zu dem sich ein erster Eisfilm im Bereich der rotierenden Teile entwickeln kann. Dieser Eisfilm ist jedoch zu diesem Zeitpunkt jeweils noch dünn genug, um durch einfaches Anlaufenlassen des Elektromotors durch Bestromung aufgebrochen zu werden. Entsprechend werden die sich bildenden Brücken so lange aufgebrochen bis keine weitere Eisbildung an den sich drehenden Teilen mehr zu erwarten ist. So wird sichergestellt, dass sich das gesamte gefrierende Wasser in Bereichen absetzt, die keine Auswirkung auf die Rotation der Gebläseteile haben. So wird ein unmittelbarer Anlauf bei Neustart des Brennstoffzellensystems ermöglicht, ohne Aufheizenergie aufwenden zu müssen oder Spülgas verwenden zu müssen.Characterized in that after switching off the fuel cell system in a first step, the energization of the electric motor is stopped until the impeller of the fan is stationary and in a second step, the electric motor is energized to drive the fan, the first and second steps are repeated several times in succession, is achieved that the electric motor and thus the pump feed wheel are always moved at a time at which a first ice film can develop in the rotating parts. However, this ice film is still thin enough at this time to be broken by energizing simply by starting the electric motor. Accordingly, the forming bridges are broken up until no further ice formation on the rotating parts is expected. This ensures that all freezing water settles in areas that have no effect on the rotation of the fan parts. Thus, a direct start is possible when restarting the fuel cell system, without having to spend heating energy or using purge gas.

Vorzugsweise werden im zweiten Schritt jeweils nur ein oder zwei Phasen des Elektromotors bestromt, so dass dieser jeweils nur eine Drehung von etwa 30° bis 180° vollzieht. Ein Anlauf des Elektromotors ist nicht erforderlich, da eine Förderung des Gases nicht erwünscht ist, sondern lediglich die rotierenden Teile freigebrochen werden sollen. So wird die benötigte Energie besonders gering gehalten.Preferably, only one or two phases of the electric motor are energized in the second step, so that it only completes a rotation of approximately 30 ° to 180 °. A start of the electric motor is not required because a promotion of the gas is not desirable, but only the rotating parts to be broken free. This keeps the energy required low.

Vorteilhafterweise beträgt der festgelegte Zeitraum im ersten Schritt 3 bis 30 Sekunden. In diesem Zeitraum ist eine lösbare Eisbrückenbildung zu erwarten, so dass der Energieeintrag bei Sicherung einer Drehbarkeit des Gebläses beim Neustart des Systems erreicht wird.Advantageously, the fixed period in the first step is 3 to 30 seconds. In this period, a releasable ice bridge is expected, so that the energy input is achieved in securing a rotation of the fan when restarting the system.

Vorzugsweise wird die Abschaltprozedur bei einer Gebläsetemperatur von unter 2°C gestartet, da ab dieser Temperatur mit einer Eisbildung zu rechnen ist. Bei höheren Temperaturen kann somit auch die Energie für die folgenden Starts des Elektromotors eingespart werden.Preferably, the shutdown procedure is started at a fan temperature of less than 2 ° C, since from this temperature is to be expected with an ice formation. At higher temperatures, the energy for the subsequent starts of the electric motor can thus be saved.

Des Weiteren wird die Abschaltprozedur bei einer Gebläsetemperatur von unter –5°C gestoppt, da bei Erreichen dieser Temperatur nach Abschalten des Brennstoffzellensystems davon ausgegangen werden kann, dass das gesamte im System vorhandene Wasser gefroren ist.Furthermore, the shut-off procedure is stopped at a fan temperature of below -5 ° C, since on reaching this temperature after switching off the fuel cell system it can be assumed that all the water present in the system is frozen.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die Abschaltprozedur nach einer definierten Zeit beendet. Hierzu wird ein sinnvoller Zeitraum festgelegt, nach dessen Ablauf mit einem vollständigen Übergang des Wassers in den festen Aggregatzustand auszugehen ist. Ein solcher Zeitraum kann beispielsweise etwa 5 Minuten betragen.In an alternative embodiment of the method, the switch-off procedure is ended after a defined time. For this purpose, a meaningful period is set, after the expiration of a complete transition of the water in the solid state of matter is assumed. For example, such a period may be about 5 minutes.

Alternativ kann die Abschaltprozedur auch beendet und der Elektromotor nicht mehr bestromt werden, wenn das im Brennstoffzellensystem befindliche Wasser vollständig in den festen Aggregatzustand übergegangen ist. Um dies festzustellen, kann im Anodengaskreislauf ein Feuchtigkeitssensor angeordnet werden, der den Wasseranteil im Gas im Anodenkreislauf misst, wobei bei Unterschreiten eines definierten Wasseranteils im Gas davon ausgegangen wird, dass das Wasser vollständig in den festen Aggregatzustand übergegangen ist.Alternatively, the switch-off procedure can also be terminated and the electric motor can no longer be energized if the water present in the fuel cell system has completely changed to the solid state of matter. To determine this, a moisture sensor can be arranged in the anode gas cycle, which measures the water content in the gas in the anode circuit, is assumed when falling below a defined water content in the gas that the water has completely gone into the solid state.

Des Weiteren kann vorteilhafterweise in einer Steuereinheit des Elektromotors ein Kennfeld hinterlegt sein, in dem ein Zeitpunkt zum Beenden der Abschaltprozedur in Abhängigkeit einer gemessenen Außentemperatur und eines Wasseranteils im Gas zum Zeitpunkt der Abschaltung des Brennstoffzellensystems festgelegt wird.Furthermore, advantageously, a characteristic field can be stored in a control unit of the electric motor, in which a time for terminating the switch-off procedure is determined as a function of a measured outside temperature and a water content in the gas at the time of switching off the fuel cell system.

Auch ist es alternativ möglich, die zum Anfahren des Elektromotors gemäß Schritt 2 notwendige Stromstärke oder Zeit zur Erzeugung einer Drehung des Rotors des Elektromotors nach dem erstmaligen Abschalten gemäß Schritt 1 zu messen und bei Unterschreiten eines Stromstärkenschwellwertes oder eines festgelegten Bestromungszeitraums zur Erzeugung einer Bewegung des Rotors des Elektromotors die Abschaltprozedur zu beenden. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich bei jeder Bestromung eine geringe Eisschicht an den sich drehenden Teilen bildet, welche bei Bestromung aufgebrochen werden muss, so dass sich die Bestromungsdauer oder Stärke zur Erzeugung der Drehung im Vergleich zum Freilauf erhöht. Liegt die Dauer oder Stärke der Bestromung im gleichen Bereich wie im Leerlauf kann auf eine abgeschlossene Eisbrückenbildung geschlossen werden. So wird für jeden Zustand lediglich eine minimale Anzahl an Bestromungsdurchgängen gemäß der Schritte 1 und 2 durchgeführt und gleichzeitig ein schneller Anlauf bei Neustart sichergestellt.Also, it is alternatively possible to measure the current required for starting the electric motor according to step 2 current or time for generating a rotation of the rotor of the electric motor after the first shutdown according to step 1 and falls below a current threshold or a fixed energization period to generate a movement of the rotor of the electric motor to end the shutdown procedure. It is assumed that with each energization a small layer of ice forms on the rotating parts, which must be broken when energized, so that increases the Bestromungsdauer or strength to generate the rotation compared to the freewheel. If the duration or intensity of the current supply is within the same range as during idling, it is possible to conclude that ice bridging has been completed. Thus, for each state, only a minimum number of energization passes are performed according to steps 1 and 2, and at the same time, a fast start-up is ensured upon restart.

Es wird somit ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem geschaffen, mit welchem bei minimalem Energieaufwand, ohne die Verwendung zusätzlicher Bauteile oder Heizelemente ein unmittelbarer Anlauf des Gebläses bei Neustart des Systems sichergestellt wird.There is thus a method for operating a blower to promote hydrogen in a fuel cell system, with which with minimal energy consumption, without the use of additional components or heating elements, an immediate start-up of the fan is ensured when restarting the system.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Figur im Folgenden beschrieben.An embodiment of the method according to the invention will be described below with reference to the figure.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Anodengaskreislaufs eines Brennstoffzellensystems, bei dessen Abschaltung das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. 1 shows a schematic diagram of an anode gas cycle of a fuel cell system, the shutdown of the inventive method can be applied.

In der 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Kathode 2 und einer Anode 3 dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 1 ist an einen Anodengaskreislauf 4, einen Kathodengaskreislauf 5 sowie ein Kühlkreislauf 6 angeschlossen.In the 1 is a fuel cell stack 1 with a cathode 2 and an anode 3 shown. This fuel cell stack 1 is to an anode gas cycle 4 , a cathode gas cycle 5 and a cooling circuit 6 connected.

Die für die Erfindung nicht wesentlichen Teile der drei Kreisläufe 4, 5, 6 sind in der Figur nicht dargestellt werden jedoch kurz beispielhaft anhand eines üblichen Aufbaus eines PEM-Brennstoffzellensystems beschrieben. Der Kathodengaskreislauf 5 kann beispielsweise aus einem Kompressor bestehen, der über einen Elektromotor 17 angetriebenen wird und Luft über eine Leitung 7 zur Kathodenseite 8 des Brennstoffzellenstapels 1 fördert. Gleichzeitig wird im Anodengaskreislauf 4 komprimierter Wasserstoff aus einem Tieftemperaturspeicher über ein Druckreduzierventil und ein Steuerventil über eine Leitung 9 der Anodenseite 10 des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt.The not essential to the invention parts of the three circuits 4 . 5 . 6 are not shown in the figure but are briefly described by way of example with reference to a conventional structure of a PEM fuel cell system. The cathode gas cycle 5 may for example consist of a compressor, which has an electric motor 17 is driven and air via a pipe 7 to the cathode side 8th of the fuel cell stack 1 promotes. At the same time in the anode gas cycle 4 compressed hydrogen from a cryogenic storage tank via a pressure reducing valve and a control valve via a pipe 9 the anode side 10 of the fuel cell stack 1 fed.

Auf der Anodenseite 10 wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Protonen umgewandelt. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise einen Elektromotor 17 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, zur Kathode 2. An der Kathode 2 wird das Oxidationsmittel, im vorliegenden Beispiel Sauerstoff aus der Luft, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert. Gleichzeitig diffundieren die Protonen durch die Protonenaustauschmembran zwischen den Brennstoffzellen zur Kathode 2 und reagieren mit dem reduzierten Sauerstoff zu Wasserdampf. Bei diesen Reaktionen entsteht eine elektrische Leistung, die über die Kathode 2 und die Anode 3 abgenommen werden kann.On the anode side 10 The hydrogen is catalytically oxidized and thereby converted into protons with release of electrons. The electrons are derived from the fuel cell and flow through an electrical load, such as an electric motor 17 for driving a motor vehicle, to the cathode 2 , At the cathode 2 For example, the oxidant, in the present example, oxygen from the air, is reduced to anions by incorporation of the electrons. At the same time, the protons diffuse through the proton exchange membrane between the fuel cells to the cathode 2 and react with the reduced oxygen to form water vapor. In these reactions, an electrical power is generated across the cathode 2 and the anode 3 can be removed.

Bei diesen Reaktionen wird der zur Verfügung gestellte Wasserstoff nicht vollständig verbraucht, so dass über eine Rückführleitung 11 die anodenseitigen Abgase erneut der Anodenseite 10 zugeführt werden können. Hierzu ist in der Rückführleitung 11 ein Gebläse 12 angeordnet, welches beispielsweise als über einen elektronisch kommutierten Elektromotor 17 angetriebenes Seitenkanalgebläse ausgeführt ist.In these reactions, the hydrogen provided is not completely consumed, so that via a return line 11 the anode-side exhaust gases again the anode side 10 can be supplied. This is in the return line 11 a fan 12 arranged, for example, as via an electronically commutated electric motor 17 driven side channel blower is executed.

Die nicht zurückgeführten Abgase der Anodenseite 10, welche aus nicht verbrauchtem Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf bestehen, werden über eine Auslassleitung 13 und ein Ablassventil einem katalytischen Brenner zugeführt, in dem unter Zugabe von Sauerstoff der noch vorhandene Wasserstoff in Wasser umgewandelt wird, welches anschließend mit dem Stickstoff in die Umgebung abgeführt werden kann.The non-recirculated exhaust gases of the anode side 10 , which consist of unused hydrogen, nitrogen and water vapor, are via an outlet 13 and a discharge valve is fed to a catalytic burner in which, with the addition of oxygen, the remaining hydrogen is converted into water, which can then be discharged with the nitrogen into the environment.

Die Abgase der Kathodenseite 8 werden über eine Auslassleitung 14 und ein Ventil zur Betriebsdrucksteuerung zunächst einer Abtrenneinrichtung zum Abtrennen von Wasser aus dem Abgas zugeführt und anschließend der nicht verbrauchte Luftsauerstoff und Stickstoff in die Umgebung abgelassen. Der Kühlkreislauf 6 kann auf sehr unterschiedliche Weise ausgeführt werden, wobei sowohl eine Luftkühlung als auch eine Flüssigkeitskühlung realisierbar sind. Entsprechend wird auf eine ausführliche Beschreibung des Kühlkreislaufs verzichtet.The exhaust gases of the cathode side 8th be via an outlet pipe 14 and a valve for operating pressure control is first supplied to a separation device for separating water from the exhaust gas and then discharged the unused atmospheric oxygen and nitrogen into the environment. The cooling circuit 6 can be carried out in very different ways, with both an air cooling and a liquid cooling can be realized. Accordingly, a detailed description of the refrigeration cycle is dispensed with.

Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems kondensiert üblicherweise der im Anodengaskreislauf 4 vorhandene Wasserdampf an den Rohrleitungen und gegebenenfalls im Gebläse 12. Bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers wird dieses entsprechend im Bereich der engen Spalte zwischen sich drehenden und feststehenden Bauteilen des Gebläses 12 gefrieren und somit das Gebläse 12 festsetzen.After switching off the fuel cell system usually condenses in the anode gas cycle 4 existing water vapor on the pipes and possibly in the fan 12 , At outdoor temperatures below the freezing point of the water, this corresponding to the narrow gap between rotating and stationary components of the fan 12 freeze and thus the blower 12 fix.

Aus diesem Grund wird nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems eine Abschaltprozedur für das Gebläse 12 gestartet. Dabei wird zunächst überprüft, welche Temperatur am Gebläse 12 vorliegt. Hierzu können Temperatursensoren beispielsweise im Bereich des Gebläsekopfes angeordnet werden. Diese Überprüfung sollte nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems in regelmäßigen Abständen von beispielsweise 30 Minuten durchgeführt werden, um diese Prozedur auch bei späterem Kälteeinbruch nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems durchführen zu können. Sobald festgestellt wird, dass die Temperatur am Gebläse 12 auf einen entsprechend festzulegenden Schwellenwert von beispielsweise unter 2°C fällt, wird die Abschaltprozedur gestartet.For this reason, after the shutdown of the fuel cell system, a shutdown procedure for the blower 12 started. It first checks which temperature on the blower 12 is present. For this purpose, temperature sensors can be arranged for example in the region of the fan head. This check should be carried out after switching off the fuel cell system at regular intervals of, for example, 30 minutes in order to carry out this procedure even at a later cold break after switching off the fuel cell system. Once it is determined that the temperature on the blower 12 falls to a corresponding threshold to be determined, for example, below 2 ° C, the shutdown procedure is started.

Zunächst wird in einem ersten Schritt der Elektromotor 17 des Gebläses 12 abgeschaltet, also nicht bestromt. Ein Zähler wird eingeschaltet und wartet beispielsweise etwa 10 Sekunden, in denen der Elektromotor 17 nicht bestromt wird und somit das Förderrad des Gebläses 12 still steht. Diese Zeit ist selbstverständlich dem vorhandenen System jeweils anzupassen. In dieser Zeit wird das in den Leitungen und im Bereich der Schlitze zwischen den drehbaren und den feststehenden Teilen des Gebläses 12 vorhandene Wasser beginnen zu gefrieren. Entsprechend bilden sich dünne Eisschichten. Nach Ablauf der 10 Sekunden wird der Stator des Elektromotors 17 in einem zweiten Schritt kurz bestromt. Dies kann beispielsweise in der Form durchgeführt werden, dass lediglich die erste für den Anlauf des Elektromotors 17 benötigte Phase bestromt wird. Dies führt je nach Phasenanzahl des Elektromotors 17 zu einer Drehung seines Rotors und damit des Förderrades des Gebläses 12 von z. B. 60° und zwar entgegen der Haltekraft durch das gebildete Eis. Die vorhandenen Eisschichten sind jedoch noch relativ leicht aufzubrechen.First, in a first step, the electric motor 17 of the blower 12 switched off, so not energized. A counter is turned on and waits, for example, for about 10 seconds, in which the electric motor 17 is not energized and thus the impeller of the fan 12 stands still. Of course, this time must be adapted to the existing system. During this time, this is done in the ducts and in the area of the slots between the rotatable and fixed parts of the blower 12 existing water begins to freeze. Accordingly, thin ice sheets are formed. After 10 seconds, the stator of the electric motor 17 briefly energized in a second step. This can be done, for example, in the form that only the first for the start of the electric motor 17 required phase is energized. This leads depending on the number of phases of the electric motor 17 to a rotation of its rotor and thus the delivery wheel of the fan 12 from Z. B. 60 ° and against the holding force by the ice formed. However, the existing ice sheets are still relatively easy to break up.

Das durch die Bewegung im Bereich der Spalte aufgebrochene Eis wird durch die Bewegung des Förderrades in weiter vom Förderrad entfernte Bereiche geschleudert.The broken up by the movement in the area of the column ice is thrown by the movement of the feed wheel in further from the feed wheel remote areas.

Anschließend wird überprüft, ob die Temperatur im Bereich des Gebläses 12 inzwischen unter –5°C gefallen ist. Ist dies der Fall, wird davon ausgegangen, dass sich das im Anodengaskreislauf vorhandene Wasser bereits vollständig in Eis umgewandelt hat. In diesem Fall wären die rotierenden Teile des Gebläses 12 beim Neustart des Systems frei drehbar und die Abschaltprozedur beendet.Subsequently, it checks if the temperature is in the range of the blower 12 has fallen below -5 ° C. If this is the case, it is assumed that the water present in the anode gas cycle has already completely converted to ice. In this case, the rotating parts of the fan would be 12 when the system is restarted freely rotatable and the shutdown procedure is completed.

Ist die Temperatur im Bereich des Gebläses 12 noch über –5°C wird zunächst erneut Schritt 1 durchgeführt und 10 Sekunden gewartet bis im folgenden zweiten Schritt die nächste Phase des Elektromotors 17 bestromt wird, so dass dieser erneut kurz gedreht wird und die während der Wartezeit entstandenen dünnen Eisschichten zwischen den rotierenden und den feststehenden Teilen erneut aufgebrochen werden.Is the temperature in the range of the blower 12 even above -5 ° C, first step 1 is performed and waited 10 seconds until the next second step, the next phase of the electric motor 17 is energized, so that this is again rotated briefly and broken up during the waiting thin ice layers between the rotating and the fixed parts are broken again.

Diese Vorgänge wiederholen sich im Folgenden bis entweder die Temperatur unter –5°C fällt oder eine Maximallaufzeit der Abschaltprozedur von beispielsweise 5 Minuten erreicht ist. Nach Ablauf dieser Zeit oder Erreichen dieser Temperatur kann davon ausgegangen werden, dass das Wasser im System vollständig gefroren ist, jedoch ohne dass dieses Wasser sich zwischen den drehenden und den stillstehenden Teilen des Gebläses 12 festsetzt. Dies führt dazu, dass bei einem Neuanlauf des Brennstoffzellensystems unabhängig von der Temperatur das Gebläse 12 sofort eingeschaltet werden kann, ohne dass ein Blockieren zu befürchten ist. Im Vergleich zu bekannten Ausführungen entsteht durch diese Abschaltprozedur ein erheblich verringerter Leistungsbedarf von beispielsweise etwa 20 Watt im Vergleich zu sonst üblichen 600 W, die bei Verwendung einer Heizung benötigt würden.These processes are repeated below until either the temperature falls below -5 ° C or a maximum run time of the shutdown procedure of, for example, 5 minutes is reached. At the end of this time or reaching this temperature, it can be assumed that the water in the system is completely frozen, but without this water being between the rotating and stationary parts of the blower 12 sets. This means that at a restart of the fuel cell system, regardless of the temperature of the blower 12 can be switched on immediately, without blocking is to be feared. Compared to known designs, this shutdown procedure results in a significantly reduced power requirement of, for example, about 20 watts compared to the usual 600 watts that would be required when using a heater.

Ein Beenden der Abschaltprozedur kann auch auf andere Weise erfolgen. So ist es möglich, im Bereich des Gebläses 12 einen Feuchtigkeitssensor anzuordnen, über den der im System noch vorhandene und somit nicht gefrorene Wasseranteil gemessen wird, so dass bei Unterschreiten eines entsprechenden Schwellenwertes auf einen vollständigen Übergang des Wassers in den festen Aggregatzustand ausgegangen werden kann, so dass bei Unterschreiten dieses Schwellenwertes die Abschaltprozedur beendet wird. Diese Abschaltprozedur lässt sich noch verbessern, indem der Schwellenwert in Abhängigkeit der Außentemperatur oder der im System vorhandenen Temperatur in einem Kennfeld aufgetragen wird und somit jeweils der zur gemessenen Temperatur passende Schwellenwert zum Beenden der Abschaltprozedur unterschritten werden muss.Ending the shutdown procedure can also be done in other ways. So it is possible in the area of the blower 12 to arrange a moisture sensor over which the system still existing and thus not frozen water content is measured, so that when falling below a corresponding threshold on a complete transition of the water in the solid state can be assumed, so that falls below this threshold, the shutdown procedure is terminated , This switch-off procedure can be improved even further by plotting the threshold value as a function of the outside temperature or the temperature present in the system in a characteristic diagram, and thus falling short of the threshold value corresponding to the measured temperature for terminating the switch-off procedure.

Des Weiteren ist es möglich, die zur Drehung des Elektromotors 17 während des zweiten Schritts der Abschaltprozedur aufzuwendende Energie oder Stromstärke oder die notwendige Bestromungszeit zur Erzeugung der Drehung zu messen. Diese ist bei einer Eisbildung geringfügig höher, da zunächst das Haltemoment durch die dünnen Eisbrücken aufgebrochen werden muss. Fällt dieser aufzubringende Strom unter einen festzulegenden Schwellenwert, der durch Versuche zu ermitteln ist, wird bei dieser Ausführung ebenfalls die Abschaltprozedur beendet.Furthermore, it is possible for the rotation of the electric motor 17 during the second step of the shutdown procedure, to measure the energy or current to be expended or the time required to generate the rotation. This is slightly higher with ice formation, since first the holding torque must be broken by the thin ice bridges. If this applied current falls below a threshold to be determined, which is to be determined by tests, the shutdown procedure is also ended in this embodiment.

In allen Fällen besteht beinahe kein konstruktiver Aufwand und nur ein sehr geringer Energiebedarf, um einen unmittelbar folgenden Anlauf des Gebläses bei Einschaltung des Brennstoffzellensystems sicher zu stellen.In all cases, there is almost no design effort and only a very low energy consumption to ensure an immediate subsequent start-up of the fan when switching on the fuel cell system.

Selbstverständlich sind auch andere Bedingungen zum Starten oder Beenden dieser erfindungsgemäßen Abschaltprozedur denkbar, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Auch die im Ausführungsbeispiel beschriebenen Wartezeiten und Temperaturschwellen sind gegebenenfalls anpassbar und von den äußeren Bedingungen abhängig. So wäre es denkbar, die Wartezeit zwischen den einzelnen Bestromungen in Abhängigkeit der Außentemperaturen zu verlängern oder zu verkürzen oder auch längere Bestromungszeiten für den Stator des Elektromotors zu wählen, so dass dieser mehr als nur eine Teildrehung vollzieht.Of course, other conditions for starting or terminating this shutdown procedure according to the invention are conceivable without departing from the scope of the main claim. The waiting times and temperature thresholds described in the exemplary embodiment are optionally adaptable and dependent on the external conditions. Thus, it would be conceivable to extend or shorten the waiting time between the individual energizations depending on the outside temperatures or to choose longer energizing times for the stator of the electric motor, so that it performs more than just a partial rotation.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Förderrad des Gebläses (12) durch einen Elektromotor (17) angetrieben wird und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems der Elektromotor (17) in einer Abschaltprozedur zumindest zeitweise weiterbetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems in einem ersten Schritt die Bestromung des Elektromotors (17) über einen festgelegten Zeitraum unterbrochen wird und in einem zweiten Schritt der Elektromotor (17) zur Erzeugung einer Bewegung des Gebläses (12) bestromt wird, wobei der erste und zweite Schritt mehrmals hintereinander wiederholt werden.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system, wherein during operation of the fuel cell system, a delivery wheel of the blower ( 12 ) by an electric motor ( 17 ) is driven and after switching off the fuel cell system of the electric motor ( 17 ) in a shutdown procedure is at least temporarily continued, characterized in that after switching off the fuel cell system in a first step, the energization of the electric motor ( 17 ) is interrupted for a fixed period of time and in a second step the electric motor ( 17 ) for generating a movement of the blower ( 12 ) is energized, wherein the first and second steps are repeated several times in succession. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt jeweils nur ein oder zwei Phasen des Elektromotors (17) bestromt werden.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to claim 1, characterized in that in the second step in each case only one or two phases of the electric motor ( 17 ) are energized. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Zeitraum im ersten Schritt 3 bis 30 Sekunden beträgt.Method for operating a blower ( 12 ) for the promotion of hydrogen in a fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the fixed period in the first step is 3 to 30 seconds. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltprozedur bei einer Temperatur am Gebläse (12) von unter 2°C gestartet wird.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to any one of the preceding claims, characterized in that the switch-off procedure at a temperature at the fan ( 12 ) is started from below 2 ° C. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltprozedur bei einer Temperatur am Gebläse (12) von unter –5°C gestoppt wird.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to any one of the preceding claims, characterized in that the switch-off procedure at a temperature at the fan ( 12 ) is stopped from below -5 ° C. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltprozedur nach einer definierten Zeit beendet wird.Method for operating a blower ( 12 ) for the promotion of hydrogen in a fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the switch-off procedure is terminated after a defined time. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltprozedur beendet und der Elektromotor (17) nicht mehr bestromt wird, wenn das im Brennstoffzellensystem befindliche Wasser vollständig in den festen Aggregatzustand übergegangen ist,Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the shut-off procedure is ended and the electric motor ( 17 ) is no longer energized when the water in the fuel cell system has completely gone into the solid state, Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodengaskreislauf (4) ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist, der den Wasseranteil im Gas im Anodengaskreislauf (4) misst, wobei bei Unterschreiten eines definierten Wasseranteils im Gas davon ausgegangen wird, dass das Wasser vollständig in den festen Aggregatzustand übergegangen ist.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to claim 7, characterized in that in the anode gas cycle ( 4 ) a moisture sensor is arranged, which determines the proportion of water in the gas in the anode gas cycle ( 4 ), whereby, when falling below a defined water content in the gas, it is assumed that the water has completely changed to the solid state of matter. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Steuereinheit des Elektromotors (17) ein Kennfeld hinterlegt ist, in dem ein Zeitpunkt zum Beenden der Abschaltprozedur in Abhängigkeit einer gemessenen Außentemperatur und eines Wasseranteils im Gas zum Zeitpunkt der Abschaltung des Brennstoffzellensystems festgelegt wird.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that in a control unit of the electric motor ( 17 ) a map is set in which a time for terminating the shutdown procedure in dependence on a measured outside temperature and a water content in the gas is set at the time of switching off the fuel cell system. Verfahren zum Betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Anfahren des Elektromotors (17) gemäß dem zweiten Schritt notwendige Stromstärke oder Zeit zur Erzeugung einer Drehung des Rotors des Elektromotors (17) nach dem erstmaligen Abschalten gemäß dem ersten Schritt gemessen wird und bei Unterschreiten eines Stromstärkenschwellwertes oder eines festgelegten Bestromungszeitraums zur Erzeugung einer Bewegung des Rotors des Elektromotors (17) die Abschaltprozedur beendet wird.Method for operating a blower ( 12 ) for conveying hydrogen in a fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that for starting the electric motor ( 17 ) according to the second step necessary current or time for generating a rotation of the rotor of the electric motor ( 17 ) is measured after the first shutdown according to the first step and falls below a current threshold or a fixed Bestromungszeitraums for generating a movement of the rotor of the electric motor ( 17 ) the shutdown procedure is terminated.
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