DE102016201611A1 - Method for drying a fuel cell system, method for switching off a fuel cell system and fuel cell system for carrying out these methods - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Kathodenräumen (13), Anodenräumen (12) und Kühlmittelkanälen. Es ist vorgesehen, dass für bestimmte Zeiträume Δt1 und Δt2 der Volumenstrom von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel vermindert und die Kathodenräume (13) mit einem bestimmten Massestrom eines Kathodenbetriebsmediums durchströmt werden. Während des bestimmten Zeitraums Δt1 wird in den Anodenräumen (12) ein Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums unterbunden und in dem bestimmten Zeitraum Δt2 werden die Anodenräume (12) mit einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums durchströmt. Für die Zeiträume Δt1 und Δt2 wird ein bestimmter Überdruck in den Anodenräumen (12) gegenüber den Kathodenräumen (13) aufrechterhalten. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, aufweisend ein Trocknen des Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen dieser Verfahren.The invention relates to a method for drying a fuel cell system (100), comprising a fuel cell stack (10) with cathode compartments (13), anode compartments (12) and coolant channels. It is provided that for certain periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2, the volume flow of a coolant flowing through the coolant channels and the cathode chambers (13) are flowed through with a certain mass flow of a cathode operating medium. During the specific period .DELTA.t1, a volume flow of the anode operating medium is prevented in the anode chambers (12), and in the specific period .DELTA.t2 the anode chambers (12) are flowed through by a specific volume flow of the anode operating medium. For the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2 a certain overpressure in the anode spaces (12) with respect to the cathode spaces (13) is maintained. The invention likewise relates to a method for switching off a fuel cell system, comprising drying the fuel cell system and a fuel cell system for carrying out these methods.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zum DurchfĂĽhren dieser Verfahren.The invention relates to a method for drying a fuel cell system, a method for switching off a fuel cell system and a fuel cell system for carrying out these methods.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2H+ + 2e–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2– + 2H+ → H2O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 → 2H + + 2e - ). Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- with absorption of the electrons takes place (½O 2 + 2e - → O 2-) , At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2H + → H 2 O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The supply of the fuel cell stack with its operating media, ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant, via main supply channels that enforce the stack in its entire stacking direction and of which the operating media on the bipolar plates, the single cells be supplied. For each operating medium at least two such main supply channels are present, namely one for feeding and one for discharging the respective operating medium.
Das bei der Umsetzung des Brennstoffs im Kathodenraum entstehende Wasser kann je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels, als Dampf oder in flüssiger Form vorliegen. Der Anteil an flüssigem Produktwasser hängt dabei von einer Vielzahl von Parametern ab und lässt sich nur schwer vorhersagen. Zudem kann Produktwasser aufgrund von Undichtigkeiten des Brennstoffzellensystems sowie der Wasserdurchlässigkeit der Membranen von der Kathodenseite auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und in die Versorgungsabschnitte des Brennstoffzellensystems gelangen. Neben der Temperatur des Brennstoffzellenstapels spielen daher insbesondere auch die Drücke im Anoden- und Kathodenraum, die Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels und die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems für die Menge und Verteilung von Flüssigwasser eine entscheidende Rolle. Beispielsweise wirkt sich der Bypass eines Befeuchters in der Kathodenversorgung unmittelbar auf den Anteil flüssigen Wassers im Kathodenabgaspfad aus.Depending on the operating state of the fuel cell system, in particular of the fuel cell stack, the water formed in the reaction of the fuel in the cathode compartment can be in the form of vapor or in liquid form. The proportion of liquid product water depends on a variety of parameters and is difficult to predict. In addition, due to leaks in the fuel cell system as well as water permeability of the membranes, product water may pass from the cathode side to the anode side of the fuel cell stack and into the service sections of the fuel cell system. In addition to the temperature of the fuel cell stack therefore play in particular the pressures in the anode and cathode space, the operating life of the fuel cell stack and the operation of the fuel cell system for the amount and distribution of liquid water a crucial role. For example, the bypass of a humidifier in the cathode supply directly affects the proportion of liquid water in the cathode exhaust gas path.
Ein Brennstoffzellensystem durchläuft während des Betriebs somit unterschiedliche Zustände hinsichtlich des Flüssigwassergehalts, wobei weder die konkrete Menge noch der Ort des anfallenden Flüssigwassers präzise vorhergesagt werden können. Im laufenden Betrieb resultiert daraus die Gefahr einer Blockade des anodenseitigen Gasstroms. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems ist dadurch der Zustand, in dem das abgeschaltete System vorliegt, insbesondere dessen Flüssigwassergehalt, weitgehend unbestimmt. Somit liegen nicht nur unbekannte Ausgangsbedingungen für einen erneuten Start des Systems vor, unter Frostbedingungen können aufgrund des Flüssigwassers auch Gefrierschäden auftreten.A fuel cell system thus undergoes different states during operation with respect to the liquid water content, wherein neither the specific amount nor the location of the resulting liquid water can be predicted accurately. During operation, this results in the risk of blockage of the anode-side gas flow. When switching off the fuel cell system thereby the state in which the shutdown system is present, in particular its liquid water content, largely indeterminate. Thus, not only are unknown starting conditions for a restart of the system, under freezing conditions due to the liquid water also freeze damage occur.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zum Trocknen und Abschalten eines Brennstoffzellenstapels bekannt.Methods for drying and switching off a fuel cell stack are already known from the prior art.
Die
Die
Die
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Trocknen und Abschalten eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und das Einstellen eines definierten Flüssigwassergehalts in Brennstoffzellensystemen ermöglichen. Ferner soll das Verfahren eine lange Lebenszeit des Brennstoffzellenstapels gewährleisten und keine baulichen Veränderungen am einfachen Brennstoffzellensystem, insbesondere keinen erhöhten Bauraumbedarf, erfordern.The invention is based on the object to propose methods for drying and switching off a fuel cell system, which overcome the disadvantages of the prior art and allow the setting of a defined liquid water content in fuel cell systems. Furthermore, the method should ensure a long lifetime of the fuel cell stack and require no structural changes to the simple fuel cell system, in particular no increased space requirement.
Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich an ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der Kathodenräume, Anodenräume und Kühlmittelkanäle aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems umfasst die Schritte:
- (a) Vermindern eines Volumenstroms von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel für bestimmte Zeiträume Δt1 und Δt2;
- (b) Durchströmen der Kathodenräume mit einem bestimmten Massestrom eines Kathodenbetriebsmediums für die vorbestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2;
- (c) Unterbinden von einem Volumenstrom eines Anodenbetriebsmediums durch die Anodenräume für den vorbestimmten Zeitraum Δt1;
- (d) Durchströmen der Anodenräume mit einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums für den bestimmten Zeitraum Δt2; und
- (e) Aufrechterhalten eines bestimmten Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen für die bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2.
- (A) reducing a volume flow of a coolant flowing through the coolant channels for certain periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2;
- (b) flowing the cathode chambers with a certain mass flow of a cathode operating medium for the predetermined periods Δt1 and Δt2;
- (c) prohibiting a volume flow of an anode operating medium through the anode spaces for the predetermined time period Δt1;
- (d) flowing through the anode chambers with a specific volume flow of the anode operating medium for the specific period .DELTA.t2; and
- (e) maintaining a certain overpressure in the anode spaces with respect to the cathode spaces for the particular periods Δt1 and Δt2.
Der Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein aktives Brennstoffzellensystem, wobei es keine Rolle spielt, ob der Brennstoffzellenstapel in einer Startphase hochgefahren wird oder sich bereits im kontinuierlichen Betrieb befindet. In beiden Fällen werden zu Beginn des Verfahrens die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels bereits mit Anodenbetriebsmedium, die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels bereits mit Kathodenbetriebsmedium und die Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellenstapels bereits mit Kühlmittel durchströmt.The starting point of the method according to the invention is an active fuel cell system, wherein it does not matter whether the fuel cell stack is started up in a startup phase or is already in continuous operation. In both cases, at the beginning of the process, the anode chambers of the fuel cell stack already with anode operating medium, the cathode chambers of the fuel cell stack already with cathode operating medium and the coolant channels of the fuel cell stack already flows through coolant.
Als ein erster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Volumenstrom des Kühlmittels reduziert, der den Brennstoffzellenstapel durchströmt. Dies führt vorteilhaft zu einer verminderten Abkühlung des Stapels. Somit wird für die Dauer des Trocknungsverfahrens, das heißt für die vorbestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2, energetisch günstig eine möglichst hohe Temperatur des Brennstoffzellenstapels erhalten. Dies unterstützt das Verdunsten des darin in flüssiger Form vorliegenden Wassers. Zusätzlich wird zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels des Anodenbetriebsmediums ein bestimmter Zieldruck in den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels eingestellt. Der Wert des Zieldrucks ist dabei so gewählt, dass für den bestimmten Zeitraum Δt1 in den Anodenräumen ein Überdruck gegenüber den Kathodenräumen realisiert wird.As a first step of the method according to the invention, first the volume flow of the coolant, which flows through the fuel cell stack, is reduced. This leads advantageously to a reduced cooling of the stack. Thus, for the duration of the drying process, that is, for the predetermined periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2, energetically favorable, the highest possible temperature of the fuel cell stack is obtained. This helps to evaporate the water present in liquid form. In addition, at the beginning of the method according to the invention by means of the anode operating medium, a specific target pressure is set in the anode chambers of the fuel cell stack. The value of the target pressure is chosen so that over the given period .DELTA.t1 in the anode chambers, an overpressure compared to the cathode chambers is realized.
Unter Kühlmittel wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Kühlflüssigkeit verstanden, deren Temperatur durch eine Kühlung reduziert ist. Die Kühlung erfolgt beispielsweise, indem die Kühlflüssigkeit durch einen Fahrzeugkühler strömt. In der Regel ist mittels eines Thermostatventils der Anteil der den Kühler durchströmenden Kühlflüssigkeit einstellbar. Wird das Thermostatventil geschlossen, strömt nur ein geringer oder kein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Fahrzeugkühler. Somit wird kein oder nur ein geringer Teil der Kühlflüssigkeit zu Kühlmittel im Sinne dieser Anmeldung. Somit kann der Volumenstrom von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel auch durch Verengen oder Schließen eines solchen Thermostatventils erfolgen. Der Kühlmittelstrom wird demnach vermindert, indem der Volumenstrom der den Brennstoffzellenstapel durchfließenden Kühlflüssigkeit oder indem der Volumenstrom der den Fahrzeugkühler durchfließenden Kühlflüssigkeit reduziert wird.Coolant is understood in the context of this application, a cooling liquid whose temperature is reduced by cooling. The cooling takes place, for example, by the cooling liquid flowing through a vehicle radiator. As a rule, the proportion of the coolant flowing through the cooling liquid can be adjusted by means of a thermostatic valve. If the thermostatic valve is closed, only a small or no part of the coolant flows through the vehicle radiator. Thus, no or only a small part of the coolant to coolant in the context of this application. Thus, the volume flow of a refrigerant flowing through the coolant channels can also be done by narrowing or closing of such a thermostatic valve. The coolant flow is accordingly reduced by reducing the volume flow of the coolant flowing through the fuel cell stack or by reducing the volume flow of the coolant flowing through the vehicle radiator.
Sind die Anodenräume mit einem Volumen des Anodenbetriebsmediums gefüllt, das bei der vorliegenden Temperatur in den Anodenräumen den Zieldruck einstellt, wird für den bestimmten Zeitraum Δt1 ein weiterer Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums in den Anodenräumen unterbunden. Bevorzugt wird dies erreicht, indem Stellmittel geschlossen werden, die sich ohnehin in der Anodenversorgung befinden. Wird die Sequenz, in der die Stellmittel geschlossen werden, an den die Anodenräume durchströmenden Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums angepasst, kann so auch der Zieldruck in den Anodenräumen eingestellt werden. Der Überdruck in den Anodenräumen reduziert die während des Zeitraums Δt1 von der Kathodenseite auf die Anodenseite übertretende Menge an flüssigem bzw. gasförmigem Wasser.If the anode chambers are filled with a volume of the anode operating medium which sets the target pressure in the anode chambers at the present temperature, a further volume flow of the anode operating medium in the anode chambers is prevented for the specific period .DELTA.t1. This is preferably achieved by closing actuating means, which are anyway in the anode supply. If the sequence in which the adjusting means are closed is adapted to the volume flow of the anode operating medium flowing through the anode chambers, then the target pressure in the anode chambers can also be adjusted. The overpressure in the anode chambers reduces the amount of liquid or gaseous water which has passed from the cathode side to the anode side during the period Δt1.
Die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels werden während der bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2 mit einem bestimmten Massestrom des Kathodenbetriebsmediums durchströmt. Zum Zeitpunkt Δt1 ist der Druck in den Kathodenräumen, insbesondere am Kathodeneintritt, der Brennstoffzelle vorzugsweise so gering wie möglich, bevorzugt liegt der Druck in den Kathodenräumen zum Zeitpunkt Δt1 zwischen Umgebungsdruck und einem Druck von 800 mbar über Umgebungsdruck und besonders bevorzugt bei einem Druck von 30 mbar über Umgebungsdruck. Der Massestrom des Kathodenbetriebsmediums bewirkt eine gleichmäßige Verteilung flüssigen Wassers und eine strömungsbedingte lokale Druckminderung in den Kathodenräumen und der Kathodenversorgung. Dadurch wird das flüssige Wasser schließlich verdunstet und als Dampf aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels und der Kathodenversorgung ausgetragen. Durch Ablassen des feuchtigkeitsbeladenen Kathodenbetriebsmediums an die Umwelt, wird der Feuchtigkeitsgehalt der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems reduziert. Bei dem Kathodenbetriebsmedium handelt es sich bevorzugt um Außenluft, die dem Brennstoffzellensystem gereinigt und auf eine gewünschte Temperatur und relative Feuchte konditioniert zugeführt wird. Besonders bevorzugt beträgt der die Kathodenseite durchströmende Massestrom des Kathodenbetriebsmediums zwischen 0,003 g/Zelle/s und 0,3 g/Zelle/s, bevorzugt 0,04 g/Zelle/s.The cathode chambers of the fuel cell stack are traversed during the specific periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2 with a certain mass flow of the cathode operating medium. At the time Δt1, the pressure in the cathode compartments, in particular at the cathode inlet, of the fuel cell is preferably as low as possible, preferably the pressure in the cathode compartments at time Δt1 is between ambient pressure and a pressure of 800 mbar above atmospheric pressure and particularly preferably at a pressure of 30 mbar above ambient pressure. The mass flow of the cathode operating medium causes a uniform distribution of liquid water and a flow-induced local pressure reduction in the cathode chambers and the cathode supply. As a result, the liquid water is finally evaporated and discharged as vapor from the cathode chambers of the fuel cell stack and the cathode supply. By discharging the moisture-laden cathode operating medium to the environment, the moisture content of the cathode side of the fuel cell system is reduced. The cathode operating medium is preferably outside air supplied to the fuel cell system and conditioned to a desired temperature and relative humidity. The mass flow of the cathode operating medium flowing through the cathode side is particularly preferably between 0.003 g / cell / s and 0.3 g / cell / s, preferably 0.04 g / cell / s.
Während des Zeitraums Δt2 wird das Durchströmen der Kühlmittelkanäle mit verminderter Kühlmittelmenge und das Durchströmen der Kathodenräume mit einem Massestrom des konditionierten, das heißt auf eine gewünschte Temperatur und eine gewünschte relative Feuchte eingestellten, Kathodenbetriebsmediums fortgesetzt. Zusätzlich werden die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels getrocknet, indem sie von einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums durchströmt werden. Der Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums bewirkt die gleichmäßige Verteilung flüssigen Produktwassers und eine strömungsbedingte lokale Druckminderung in den Anodenräumen und der Anodenversorgung. Dadurch wird das Wasser aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems ausgetragen. Dabei sind der Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums und der Massestrom des Kathodenbetriebsmediums so gewählt, dass ein Überdruck der Anodenräume gegenüber den Kathodenräumen während des Zeitraums Δt2 aufrechterhalten bleibt. Bevorzugt werden der Volumenstrom des Kühlmittels und der Massestrom des Kathodenbetriebsmediums aus dem Zeitraum Δt1 auch im Zeitraum Δt2 beibehalten. Bevorzugt beträgt der im Zeitraum Δt1 die Anodenseite durchströmende Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums zwischen 0,001 l/min/Zelle und 2,7 l/min/Zelle, besonders bevorzugt 1,45 l/min/Zelle. Weiterhin bevorzugt beträgt der Überdruck der Anodenräume gegenüber den Kathodenräumen in den Zeiträumen Δt1 und Δt2 zwischen 3 mbar und 780 mbar, bevorzugt 424 mbar.During the period Δt2, the passage of the coolant channels with reduced coolant quantity and the flow through the cathode chambers is continued with a mass flow of the conditioned, that is to say to a desired temperature and a desired relative humidity, cathode operating medium. In addition, the anode spaces of the fuel cell stack are dried by flowing through a certain volume flow of the anode operating medium. The volume flow of the anode operating medium causes the uniform distribution of liquid product water and a flow-induced local pressure reduction in the anode chambers and the anode supply. As a result, the water is discharged from the anode side of the fuel cell system. The volume flow of the anode operating medium and the mass flow of the cathode operating medium are selected so that an overpressure of the anode compartments with respect to the cathode compartments is maintained during the period .DELTA.t2. Preferably, the volume flow of the coolant and the mass flow of the cathode operating medium from the period .DELTA.t1 are also maintained in the period .DELTA.t2. The volume flow rate of the anode operating medium flowing through the anode side in the period Δt1 is preferably between 0.001 l / min / cell and 2.7 l / min / cell, more preferably 1.45 l / min / cell. Further preferably, the overpressure of the anode chambers with respect to the cathode chambers in the periods Δt1 and Δt2 is between 3 mbar and 780 mbar, preferably 424 mbar.
Erfindungswesentlich ist die vorteilhafte Kombination der Verfahrensschritte des Patentanspruchs 1, mit denen ein energetisch günstiges Trocknen eines Brennstoffzellensystems unter ausschließlicher Verwendung in gängigen Brennstoffzellensystemen ohnehin vorhandener Komponenten ermöglicht wird. Dabei ist der Trocknungsgrad des Brennstoffzellensystems beziehungsweise der verbleibende Flüssigwassergehalt des Brennstoffzellensystems anhand weniger Größen einfach und gezielt einstellbar. Zudem wird die Anodenseite während und bevorzugt auch nach der Trocknung frei von sauerstoffhaltigem Kathodenbetriebsmedium gehalten, was sich positiv auf die Lebensdauer der Elektroden auswirkt und Luft/Luft-Starts entgegenwirkt.Essential to the invention is the advantageous combination of the method steps of claim 1, with which an energetically favorable drying of a fuel cell system under exclusive use in common fuel cell systems already existing components is made possible. In this case, the degree of dryness of the fuel cell system or the remaining liquid water content of the fuel cell system is easily and selectively adjustable on the basis of a few variables. In addition, the anode side is kept free of oxygen-containing cathode operating medium during and preferably also after drying, which has a positive effect on the service life of the electrodes and counteracts air / air starts.
In einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird das Anodenbetriebsmedium während eines bestimmten Zeitraums Δt0 gezielt den Anodenräumen zugeführt, um diese mit dem Zieldruck zu beaufschlagen. Sobald den Anodenräumen das den Zieldruck einstellende Volumen Anodenbetriebsmedium zugeführt wurde, wird dieses besonders bevorzugt durch Schließen eines in einer Anodenversorgungsleitung angeordneten ersten Stellmittels und durch Schließen eines in einer Anodenabgasleitung angeordneten zweiten Stellmittels in den Anodenräumen eingeschlossen. Das Schließen dieser Stellmittel erfolgt bevorzugt ebenfalls im Zeitraum Δt0. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bleiben das erste und das zweite Stellmittel auch für die Zeiträume Δt1 und Δt2 geschlossen, sodass die Anodenräume während der Zeiträume Δt1 und Δt2 ein weitgehend fluiddicht abgeschlossenes Volumen, insbesondere hinsichtlich des Anodenbetriebsmediums bilden. Ebenfalls besonders bevorzugt wird das im Zeitraum Δt0 zugeführte Anodenbetriebsmedium mittels einer in der Anodenversorgung angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung für den Zeitraum Δt2 in diesem weitgehend abgeschlossenen Volumen umgewälzt. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren nahezu ausschließlich mit dem im Zeitraum Δt0 zugeführten Anodenbetriebsmedium durchgeführt werden. Vorteilhaft hält dies die zum Trocknen benötigte Brennstoffmenge möglichst gering.In a preferred embodiment of the method, the anode operating medium is selectively supplied to the anode chambers during a specific period .DELTA.t0 in order to supply them with the target pressure. Once the anode space operating medium has been supplied to the target pressure adjusting volume, it is particularly preferred to close it by closing a first actuating means disposed in an anode supply line and closing a second actuating means disposed in an anode exhaust gas line Anode spaces included. The closing of these actuating means preferably also takes place in the period .DELTA.t0. In a particularly preferred embodiment, the first and the second actuating means also remain closed for the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2, so that the anode spaces during the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2 form a largely fluid-tight closed volume, in particular with respect to the anode operating medium. Likewise particularly preferably, the anode operating medium supplied in the period Δt0 is circulated in this largely closed volume by means of a recirculation conveying device arranged in the anode supply for the period Δt2. Thus, the method according to the invention can be carried out almost exclusively with the anode operating medium fed in the period .DELTA.t0. Advantageously, this keeps the amount of fuel needed for drying as low as possible.
Im Detail sind zwei verschiedene Verfahrensführungen zum Trocknen des Anodenbetriebsmediums bevorzugt. In einer ersten bevorzugten Durchführungsform durchströmt das seit dem Zeitraum Δt0 in den Anodenräumen eingeschlossene Volumen des Anodenbetriebsmediums während des Umwälzens im Zeitraum Δt2 wiederholt einen in der Anodenversorgung angeordneten Wasserabscheider. Somit wird die Flüssigwasserbeladung des Anodenbetriebsmediums sukzessive reduziert. Das Flüssigwasser wird aus dem Wasserabscheider an die Umwelt abgegeben. In dieser Durchführungsform verbleiben das erste und zweite Stellmittel bevorzugt auch nach dem Zeitraum Δt2 geschlossen, um im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellenstapels den Überdruck auf Anodenseite aufrecht zu erhalten. Ferner bevorzugt wird das Fördern von Kühlmittel und Kathodenbetriebsmedium mit Ablauf des Zeitraums Δt2 eingestellt. Diese Durchführungsform ermöglicht das Trocknen des Brennstoffzellensystems und das Vermeiden eines Luft/Luft-Starts mit einer minimalen Menge Brennstoff.In detail, two different process routines for drying the anode operating medium are preferred. In a first preferred embodiment, the volume of the anode operating medium trapped in the anode compartments for the period .DELTA.t0 repeatedly flows through a water separator arranged in the anode supply during the circulation in the period .DELTA.t2. Thus, the liquid water loading of the anode operating medium is successively reduced. The liquid water is released from the water separator to the environment. In this embodiment, the first and second actuating means preferably remain closed even after the period Δt2 in order to maintain the overpressure on the anode side in the switched-off state of the fuel cell stack. Further preferably, the delivery of coolant and cathode operating medium is set at the expiration of the period Δt2. This embodiment allows drying of the fuel cell system and avoiding air / air start with a minimal amount of fuel.
Eine alternative Durchführungsform des Verfahrens ist insbesondere oberhalb eines bestimmten Grenzwerts des Flüssigwassergehalts im Brennstoffzellensystem bevorzugt. In diesem Fall kann die Abscheidung von Flüssigwasser in dem Wasserabscheider der Anodenversorgung nicht ausreichend sein. Bevorzugt wird dann für einen bestimmten Zeitraum Δt3 der Volumenstrom des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenräume unterbunden. Somit kann während dieses Zeitraums Δt3 das umgewälzte und feuchtigkeitsbeladene Anodenbetriebsmedium aus den Anodenräumen abgelassen werden, ohne das in den Kathodenräumen ein Überdruck zu den Anodenräumen entsteht. Unmittelbar nach dem Ablassen wird erneut Anodenbetriebsmedium in die Anodenräume gefördert, um diese erneut mit einem bestimmten Überdruck zu den Kathodenräumen zu beaufschlagen. Bevorzugt werden anschließend ein in einer Anodenversorgungsleitung angeordnetes erstes Stellmittel und ein in der Anodenabgasleitung angeordnetes zweites Stellmittel geschlossen, um das neu zugeführte Anodenbetriebsmedium auch während des abgeschalteten Zustands des Stapels in den Anodenräumen einzuschließen. Das Fördern von Kühlmittel und Kathodenbetriebsmedium wird bevorzugt mit Ablauf des Zeitraums Δt2 eingestellt. Diese Durchführungsform ermöglicht eine zuverlässige Entwässerung der Anodenräume und ist insbesondere zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems nach einem Startabbruch geeignet.An alternative embodiment of the method is particularly preferred above a certain limit of the liquid water content in the fuel cell system. In this case, the separation of liquid water in the water separator of the anode supply may not be sufficient. Preferably, the volume flow of the cathode operating medium is then prevented by the cathode compartments for a certain period .DELTA.t3. Thus, during this period .DELTA.t3, the recirculated and moisture-laden anode operating medium can be drained from the anode compartments without overpressurizing the anode compartments in the cathode compartments. Immediately after draining, anode operating medium is conveyed again into the anode chambers, in order to apply these again with a certain overpressure to the cathode chambers. Preferably, a first actuating means arranged in an anode supply line and a second actuating means arranged in the anode exhaust gas line are then closed in order to enclose the newly supplied anode operating medium in the anode chambers even during the switched-off state of the stack. The delivery of coolant and cathode operating medium is preferably set with expiration of the period Δt2. This embodiment allows a reliable drainage of the anode chambers and is particularly suitable for drying a fuel cell system after a start abort.
Während der Zeiträume Δt1 und Δt2 ist das Aufrechterhalten eines Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen wesentlich für das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren. Um diesen Überdruck während der gesamten Verfahrensdauer sicherzustellen und Diffusionsverluste durch die Membranen sowie durch Undichtigkeiten des Stapels auszugleichen, wird in einer bevorzugten Durchführungsform auch in den Zeiträumen Δt1 und Δt2 zusätzliches Anodenbetriebsmedium in die Anodenversorgung eingespeist. Besonders bevorzugt sind dazu das erste und/oder das zweite Stellmittel als steuerbares Rückschlagventil ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt kann die Aufrechterhaltung eines Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen durch eine Anpassung von dem Massestrom des Kathodenbetriebsmediums in der Kathodenversorgung erfolgen.During the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2, maintaining an overpressure in the anode compartments with respect to the cathode compartments is essential for the drying process of the present invention. In order to ensure this overpressure throughout the duration of the process and to compensate for diffusion losses through the membranes as well as through leaks in the stack, in a preferred embodiment additional anode operating medium is fed into the anode supply even in the periods Δt1 and Δt2. For this purpose, the first and / or the second adjusting means are particularly preferably designed as a controllable non-return valve. Also preferably, the maintenance of an overpressure in the anode compartments with respect to the cathode compartments can take place by an adaptation of the mass flow of the cathode operating medium in the cathode supply.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform wird der mittlere freie Strömungsquerschnitt der Kathodenversorgung während der Zeiträume Δt1 und Δt2 vergrößert. Der freie Strömungsquerschnitt ist dabei die von dem Kathodenbetriebsmedium an einem beliebigen Querschnitt der Kathodenversorgung widerstandsfrei durchströmbare Querschnittsfläche. Der mittlere freie Strömungsquerschnitt ist dabei als das arithmetische Mittel über alle freien Strömungsquerschnitte der Kathodenversorgung zu verstehen. Besonders bevorzugt wird der mittlere freie Strömungsquerschnitt der Kathodenversorgung erhöht, indem alle darin enthaltenen einstellbaren Komponenten, wie beispielsweise Drosselklappen, Bypass-Ventile und Expander, möglichst weit geöffnet werden. Dadurch wird der zum Fördern von dem bestimmten Massestrom des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenversorgung benötigte Druck so gering wie möglich eingestellt, wodurch die Aufrechterhaltung eines Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen erleichtert wird.In a likewise preferred embodiment, the mean free flow cross-section of the cathode supply is increased during the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2. The free flow cross-section is the cross-sectional area through which the cathode operating medium flows without resistance at any cross-section of the cathode supply. The mean free flow cross section is to be understood as the arithmetic mean over all free flow cross sections of the cathode supply. Particularly preferably, the mean free flow cross-section of the cathode supply is increased by all the adjustable components contained therein, such as throttle valves, bypass valves and expander, are opened as far as possible. Thereby, the pressure required to convey the particular mass flow of the cathode operating medium through the cathode supply is set as low as possible, thereby facilitating the maintenance of an overpressure in the anode compartments with respect to the cathode compartments.
Das Vermindern des Volumenstroms von dem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel erfolgt bevorzugt durch die Reduktion der von einer Kühlmittelfördervorrichtung kontinuierlich geförderten Kühlflüssigkeitsmenge insgesamt oder durch Reduktion der eine Kühlvorrichtung durchströmenden Kühlflüssigkeitsmenge. Dabei wird der kontinuierlich geförderte Kühlmittelstrom besonders bevorzugt auf einen Wert zwischen 0 l/min/Zelle und 0,15 l/min/Zelle reduziert. Alternativ dazu wird diskontinuierlich ein definiertes Kühlmittelvolumen gepumpt, welches dem Volumen der Gesamtheit aller Kühlmittelkanäle entspricht. Eine Reduktion des Volumenstroms Kühlmittel wird dann durch Wartezeiten zwischen dem Pumpen der Kühlmittelvolumen erreicht. Die Wartezeit zwischen den diskontinuierlich gepumpten Volumen beträgt bevorzugt zwischen 1 s und 60 s, besonders bevorzugt 5 s. Das zyklische Pumpen des Kühlmittels ist energetisch günstiger als dessen kontinuierliche Förderung.The reduction of the volume flow from the coolant channels flowing through the coolant is preferably carried out continuously by the reduction of a coolant conveying device subsidized amount of cooling liquid in total or by reducing the amount of coolant flowing through a cooling device. In this case, the continuously conveyed coolant flow is particularly preferably reduced to a value between 0 l / min / cell and 0.15 l / min / cell. Alternatively, a defined volume of coolant is pumped discontinuously, which corresponds to the volume of the entirety of all coolant channels. A reduction in the volume flow of coolant is then achieved by waiting times between the pumping of the coolant volume. The waiting time between the discontinuously pumped volumes is preferably between 1 s and 60 s, more preferably 5 s. The cyclic pumping of the coolant is energetically cheaper than its continuous promotion.
Die wichtigsten Steuergrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Längen der Zeiträume Δt1 und Δt2. In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit eines messtechnisch ermittelten Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems bestimmt. Der Flüssigwassergehalt des Brennstoffzellensystems kann dabei direkt mittels eines oder mehrerer Flüssigkeitssensoren, indirekt über eine Impedanz-Messung an einer oder mehreren Zellen des Brennstoffzellenstapels bestimmt werden. Das Trocknungsverfahren wird umso länger durchgeführt, je mehr Flüssigwasser im Brennstoffzellensystem enthalten ist. Ebenfalls bevorzugt werden die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit einer ermittelten Temperatur des Brennstoffzellenstapels oder der Umgebung bestimmt. Dabei wird das Trocknungsverfahren umso länger durchgeführt, je tiefer die gemessenen Temperaturen sind. Das Bestimmen der Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit zumindest eines aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems ermöglicht vorteilhaft das Einstellen eines definierten Trocknungsgrades. Nach dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren liegt das Brennstoffzellensystem somit vorteilhaft in einem definierten Zustand vor, aus dem ein erneuter Start problemlos möglich ist.The most important control variables of the method according to the invention are the lengths of the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the periods .DELTA.t1 and .DELTA.t2 are determined as a function of a metrologically determined liquid water content of the fuel cell system. The liquid water content of the fuel cell system can be determined directly by means of one or more liquid sensors, indirectly via an impedance measurement on one or more cells of the fuel cell stack. The drying process is carried out the longer the more liquid water is contained in the fuel cell system. Likewise preferably, the periods Δt1 and Δt2 are determined as a function of a determined temperature of the fuel cell stack or the environment. The drying process is carried out the longer the lower the measured temperatures are. The determination of the periods Δt1 and Δt2 as a function of at least one current state of the fuel cell system advantageously makes it possible to set a defined degree of dryness. After drying process according to the invention, the fuel cell system is thus advantageous in a defined state, from which a restart is easily possible.
Der Zeitraum Δt1 beträgt bevorzugt zwischen 1 s und 300 s, besonders bevorzugt 15 s. Der Zeitraum Δt2 wird in Abhängigkeit des Zeitraums Δt1 bestimmt und beträgt bevorzugt zwischen 1 s und 120 s, besonders bevorzugt 14 s. Die Zeiträume Δt0, Δt1, Δt2 und Δt3 folgen bevorzugt in dieser Reihenfolge unmittelbar oder mittelbar aufeinander. Insbesondere ist der Zeitraum Δt0 dem Zeitraum Δt1 vorgelagert und ist der Zeitpunkt Δt3 dem Zeitraum Δt2 nachgelagert, wobei diese Abschnitte ebenfalls mittelbar oder unmittelbar aufeinander folgen können. Besonders bevorzugt wird vor, nach oder zwischen den einzelnen Zeiträumen eine weitere Zeitspanne für mindestens eine weitere Funktionalität des Brennstoffzellensystems vorgehalten.The period Δt1 is preferably between 1 s and 300 s, more preferably 15 s. The period Δt2 is determined as a function of the time period Δt1 and is preferably between 1 s and 120 s, particularly preferably 14 s. The periods Δt0, Δt1, Δt2 and Δt3 preferably follow each other directly or indirectly in this order. In particular, the period .DELTA.t0 is upstream of the period .DELTA.t1 and the time .DELTA.t3 is downstream of the period .DELTA.t2, wherein these sections can also follow each other directly or indirectly. Particularly preferably, after or between the individual periods, a further period of time is reserved for at least one further functionality of the fuel cell system.
Diese Zeitspanne beträgt bevorzugt zwischen 0,01 s und 300 s und besonders bevorzugt zwischen 1 s und 10 s und schützt zusätzlich vor einer beschleunigten Degradation des Stapels, insbesondere der Elektroden, sowie zum Einstellen eines definierten Zustandes des Brennstoffzellensystems.This period is preferably between 0.01 s and 300 s and more preferably between 1 s and 10 s and additionally protects against accelerated degradation of the stack, in particular the electrodes, and for setting a defined state of the fuel cell system.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens werden die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit einer Betriebszeit beziehungsweise eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems bestimmt. Für ein Brennstoffzellensystem werden in diesem Zusammenhang drei Betriebszustände unterschieden, nämlich Start/Hochfahren, kontinuierlicher Betrieb und Abschalten. Dabei kann eine Brennstoffzelle sowohl aus dem kontinuierlichen Betrieb als auch während des Starts/Hochfahrens abgeschaltet werden. Zumeist wird der Flüssigwassergehalt einer im Hochfahren befindlichen Brennstoffzelle höher sein, als der einer kontinuierlich betriebenen Brennstoffzelle. Die Betriebszeit korreliert in der Regel mit dem Betriebszustand beziehungsweise lässt Rückschlüsse auf diesen zu.In a likewise preferred embodiment of the drying method according to the invention, the periods Δt1 and Δt2 are determined as a function of an operating time or an operating state of the fuel cell system. For a fuel cell system, three operating states are distinguished in this context, namely startup / startup, continuous operation and shutdown. In this case, a fuel cell can be switched off both from continuous operation and during startup / startup. In most cases, the liquid water content of a fuel cell located at startup will be higher than that of a continuously operated fuel cell. The operating time usually correlates with the operating state or allows conclusions to be drawn about it.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte: Initialisieren eines Abschaltvorgangs durch Trennen einer elektrischen Hauptlast von dem Brennstoffzellenstapel und Durchführen eines Verfahrens zum Trocknen des Brennstoffzellensystems, wie vorstehend beschrieben, bis zum Erreichen eines definierten Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems. Das Abschalten eines Brennstoffzellensystems wird regelmäßig durch das Trennen des Brennstoffzellenstapels von dessen elektrischer Hauptlast eingeleitet, beispielsweise beim Abstellen der Zündung eines Fahrzeugs. Durch die Trennung der elektrischen Hauptlast werden im Stapel weniger und bevorzugt kein Kathoden- und Anodenbetriebsmedium mehr verbraucht. Nach dem Trennen des Stapels von dessen Hauptlast wird das Brennstoffzellensystem wie vorstehend beschrieben getrocknet, bis ein definierter Flüssigwassergehalt des Brennstoffzellensystem erreicht ist. Bevorzugt wird der Brennstoffzellenstapel unmittelbar oder mittelbar zum Bereitstellen der für das Trocknungsverfahren notwendigen elektrischen Leistung, beispielsweise für den Betrieb elektrisch betriebener Fördereinrichtungen, Stellmittel und/oder Steuereinrichtungen, verwendet. Am Ende des Trocknungsverfahrens liegt das Brennstoffzellensystem vorteilhaft in einem definierten Trocknungszustand beziehungsweise mit einem definierten Flüssigwassergehalt vor. Dies ermöglicht somit vorteilhaft das Einstellen eines definierten Abschaltzustands des Brennstoffzellensystems und damit einen zuverlässigen Neustart desselben. The invention likewise provides a method for switching off a fuel cell system, comprising the method steps: initializing a switch-off process by disconnecting a main electrical load from the fuel cell stack and performing a method for drying the fuel cell system, as described above, until a defined liquid water content of the fuel cell system is reached. The shutdown of a fuel cell system is regularly initiated by disconnecting the fuel cell stack from its main electrical load, for example, when switching off the ignition of a vehicle. Due to the separation of the main electrical load less and preferably no cathode and anode operating medium are consumed in the stack more. After separating the stack from its main load, the fuel cell system is dried as described above until a defined liquid water content of the fuel cell system is reached. The fuel cell stack is preferably used directly or indirectly for providing the electrical power necessary for the drying process, for example for the operation of electrically operated conveyors, adjusting means and / or control devices. At the end of the drying process, the fuel cell system is advantageously present in a defined drying state or with a defined liquid water content. This thus advantageously allows the setting of a defined shutdown state of the fuel cell system and thus a reliable restart of the same.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit Kathodenräumen, Anodenräumen und Kühlmittelkanälen; eine Kathodenversorgung, aufweisend einen Kathodenversorgungspfad mit einem darin angeordneten Verdichter und einen Kathodenabgaspfad; eine Anodenversorgung, aufweisend einen Anodenversorgungspfad mit einem ersten Stellmittel, einen Anodenabgaspfad mit einem zweiten Stellmittel und eine den Anodenabgaspfad mit dem Anodenversorgungspfad verbindende Rezirkulationsleitung mit einer darin angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung; eine Kühlmittelversorgung, aufweisend eine Kühlmittelfördereinrichtung zum Zuführen eines Kühlmittels in die Kühlmittelkanäle; und ein Steuergerät, das zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, wie obenstehend beschrieben, eingerichtet ist.Likewise provided by the invention is a fuel cell system comprising a fuel cell stack with cathode compartments, anode compartments and coolant channels; a cathode supply having a cathode supply path with a compressor disposed therein and a cathode exhaust path; an anode supply comprising an anode supply path having a first actuator, an anode exhaust path having a second actuator, and a recirculation line connecting the anode exhaust path to the anode supply path and having a recirculation conveyor disposed therein; a coolant supply, comprising a coolant delivery device for supplying a coolant into the coolant channels; and a controller configured to perform a method of drying a fuel cell system according to the invention as described above.
Das Brennstoffzellensystem weist bevorzugt Sensoren zum Bestimmen eines Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems, einer Temperatur des Brennstoffzellensystems, einer Temperatur der Umgebung, einer elektrischen Last, Leistung, Spannung oder Stromstärke des Brennstoffzellenstapels und/oder einer Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels auf. Die Rezirkulationsfördereinrichtung ist bevorzugt als Rezirkulationsgebläse ausgebildet. Das erste und oder zweite Stellmittel sind bevorzugt als Dosierventile oder steuerbare Rückschlagventile ausgestaltet, die ein Nachregeln des Drucks des Anodenbetriebsmediums in den Anodenräume ermöglichen.The fuel cell system preferably has sensors for determining a liquid water content of the fuel cell system, a temperature of the fuel cell system, a temperature of the environment, an electrical load, power, voltage or current strength of the fuel cell stack and / or an operating period of the fuel cell stack. The recirculation conveyor is preferably designed as a recirculation fan. The first and / or second adjusting means are preferably designed as metering valves or controllable non-return valves, which allow readjustment of the pressure of the anode operating medium in the anode chambers.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den ĂĽbrigen, in den UnteransprĂĽchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten AusfĂĽhrungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgefĂĽhrt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings, without being limited thereto. Show it:
Die Brennstoffzellensysteme
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
In der Anodenabgasleitung
In dem in
Die Kathodenversorgung
Die in den
Die Kathodenversorgung
Zum KĂĽhlen des Brennstoffzellenstapels
Sämtliche Stellmittel
In der
Wie in der
Während des kontinuierlichen Betriebs des Brennstoffzellensystems
Durch das Trennen des Brennstoffzellenstapels
Unmittelbar nach dem Einleiten des Trocknungsverfahrens, das heißt, zu Beginn des Zeitraums Δt1 wird der Volumenstrom V .K des kontinuierlich durch den Stapel
Gleichzeitig zur Reduktion des Volumenstroms V .K des Kühlmittels wird zu Beginn des Zeitraums Δt1 in der Anodenversorgung
In der Kathodenversorgung
Zu Beginn des Zeitraums Δt2 wird die Rezirkulationsfördereinrichtung
Zum Ende des erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens am Ende des Zeitraums Δt2 liegt das Brennstoffzellensystem
In der
In der in
Während dieses Zeitraums Δt0 wird zudem der Volumenstrom V .K des durch den Stapel
Während des Zeitraums Δt1 werden alle Zustandsgrößen der Anodenräume
Zu Beginn des Zeitraums Δt2 wird das Rezirkulationsgebläse
Zum Ende des Zeitraums Δt2 beziehungsweise zu Beginn des Zeitraums Δt3 werden der Verdichter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 1010
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1111
- Einzelzellesingle cell
- 1212
- Anodenraumanode chamber
- 1313
- Kathodenraumcathode space
- 1414
- Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)Membrane electrode assembly (MEA)
- 1515
- Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
- 2020
- Anodenversorgunganode supply
- 2121
- AnodenversorgungsleitungAnode supply line
- 2222
- AnodenabgasleitungAnode exhaust gas line
- 2323
- Brennstofftankfuel tank
- 2424
- Erstes StellmittelFirst actuating means
- 2525
- Rezirkulationsleitungrecirculation
- 2626
- Zweites StellmittelSecond actuating means
- 2727
- Rezirkulationsfördereinrichtungrecirculation conveyor
- 2828
- Wasserabscheiderwater
- 3030
- Kathodenversorgungcathode supply
- 3131
- KathodenversorgungsleitungCathode supply line
- 3232
- KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
- 3333
- Verdichtercompressor
- 3434
- Elektromotorelectric motor
- 3535
- Leistungselektronikpower electronics
- 3636
- Turbineturbine
- 3737
- Bypass-LeitungBypass line
- 3838
- Stellmittelactuating means
- 3939
- Befeuchtermodulhumidifier
- 4040
- KĂĽhlmittelkreislaufCoolant circuit
- 4141
- KühlmittelfördervorrichtungCoolant delivery device
- 4242
- KĂĽhlmittelleitungCoolant line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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