DE102016217015A1 - Method for operating a fuel cell system of a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mindestens einen kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff und mindestens eine zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität. Das Verfahren umfasst die Schritte: 1) Zwischenspeichern von Brennstoff in der zusätzlichen Brennstoffspeicherkapazität während einer inaktiven Phase der Kraftfahrzeuges; und 2) Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges.The technology disclosed herein relates to a method of operating a fuel cell system of a motor vehicle. The fuel cell system comprises at least one fuel cell, at least one cryogenic pressure vessel for storing fuel and at least one additional fuel storage capacity. The method comprises the steps of: 1) buffering fuel in the additional fuel storage capacity during an inactive phase of the motor vehicle; and 2) operating the at least one fuel cell during the inactive phase of the motor vehicle.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehältersystem. Kryogene Druckbehältersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen kryogene Druckbehälter. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z.B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z.B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter. The technology disclosed herein relates to methods of operating a fuel cell system of a motor vehicle having a cryogenic pressure vessel system. Cryogenic pressure vessel systems are known in the art. They include cryogenic pressure vessels. Such a pressure vessel comprises an inner container as well as an outer container surrounding it to form a super-isolated (eg evacuated) (intermediate) space. For example, cryogenic pressure vessels are used for motor vehicles in which a fuel or fuel which is gaseous under ambient conditions is cryogenically stored and thus substantially in the liquid or supercritical state of aggregation with a significantly higher density compared to the ambient conditions. Therefore, highly effective insulation sheaths (eg vacuum sleeves) are provided. For example, the EP 1 546 601 B1 such a pressure vessel.

Trotz guter thermischer Isolation erwärmt sich der gespeicherte Brennstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck bzw. Auslösedruck überschritten, so muss der Brennstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um eine Schädigung des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Hierzu werden druckbetätigte Entlastungsventile eingesetzt, die ein schrittweises Entweichen des Mediums erlauben. Den Entlastungsventilen nachgeschaltet kann beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz kommen. Ein BMS kann einen katalytischen Konverter aufweisen, der Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser synthetisiert, um die Freisetzung von explosiven Gasgemischen zu vermeiden. Despite good thermal insulation, the stored fuel heats up slowly. At the same time, the pressure in the pressure vessel rises slowly. If a limit pressure or release pressure is exceeded, the fuel must escape via suitable safety devices in order to avoid damage to the cryogenic pressure vessel. For this purpose, pressure-operated relief valves are used, which allow a gradual escape of the medium. Downstream of the relief valves, for example, a so-called blow-off management system or boil-off management system (hereinafter BMS) can be used. A BMS may include a catalytic converter that synthesizes fuel (eg, hydrogen) with the oxygen from the ambient air to water to avoid the release of explosive gas mixtures.

Es ist ferner bekannt, dass es während einer Phase der Nichtbenutzung eines Kraftfahrzeugs zu Gasaustauschprozessen innerhalb des Brennstoffzellenstapels kommen kann, die eine für den erneuten Start des Brennstoffzellensystems ungünstige Wasserstoff-Sauerstoff-Front verursachen können. Eine solche Wasserstoff-Sauerstoff-Front steigert die Gefahr einer Zelldegradation. It is also known that during a phase of non-use of a motor vehicle gas exchange processes can occur within the fuel cell stack, which can cause an unfavorable hydrogen-oxygen front for restarting the fuel cell system. Such a hydrogen-oxygen front increases the risk of cell degradation.

Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Es ist insbesondere eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einerseits Blow-Off Gase eine kryogenen Druckbehältersystems sinnvoll zu nutzen und andererseits die Wahrscheinlichkeit einer Degradation der mindestens einen Brennstoffzelle zu verringern. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. It is an object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. In particular, it is an object of the technology disclosed here to meaningfully use blow-off gases on a cryogenic pressure vessel system and, on the other hand, to reduce the likelihood of degradation of the at least one fuel cell. Other objects arise from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug, insbesondere ein Verfahren zum Verringern der Zelldegradation eines Brennstoffzellensystems. The technology disclosed herein relates to a method of operating a fuel cell system of a motor vehicle, in particular, a method of reducing the cell degradation of a fuel cell system.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und mit mindestens einem kryogenen Druckbehältersystem. Das Brennstoffzellensystem ist für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. The technology disclosed herein further relates to a fuel cell system having at least one fuel cell and at least one cryogenic pressure vessel system. The fuel cell system is intended for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one drive machine for moving the motor vehicle. The fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidant. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. A fuel cell system comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components) which can be used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. The fuel cell system includes an anode subsystem formed by the fuel-bearing components of the fuel cell system. An anode subsystem may include at least one pressure vessel, at least one pressure reducer, at least one anode inlet leading to the anode inlet, an anode space in the fuel cell stack, at least one anode exhaust line leading away from the anode outlet, at least one water purge (= AWS), at least one anode purge valve (= APV), at least one active or passive fuel recirculation conveyor (= ARE or ARB) and / or at least one recirculation line and further elements. The main task of the Anodensubsystems is the introduction and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, Stapel-Absperrventile, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von Oxidationsmittel. The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the oxidant-carrying components. A cathode subsystem may comprise at least one oxidant conveyor, at least one cathode inlet leading to the cathode inlet, at least one cathode exhaust line leading away from the cathode outlet, a cathode compartment in the fuel cell stack, stack shutoff valves, and other elements. The main task of the cathode subsystem is the introduction and distribution of oxidant to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of oxidant.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegen, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i.d.R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt von ca. 500 barü, und besonders bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr. Im Innenbehälter ist der Brennstoff gespeichert. Der Außenbehälter schließt den Druckbehälter bevorzugt nach außen hin ab. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar, dass zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter in einem evakuierten (Zwischen)Raum bzw. Vakuum V angeordnet ist. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig. The technology disclosed herein relates to a motor vehicle having a cryogenic pressure vessel for storing fuel. The cryogenic pressure vessel may store fuel in the liquid or supercritical state. A supercritical state of aggregation is a thermodynamic state of a substance which has a higher temperature and a higher pressure than the critical point. The critical point denotes the thermodynamic state in which the densities of gas and liquid of the substance coincide, that is, it is single-phase. While one end of the vapor pressure curve in a pT diagram is marked by the triple point, the critical point represents the other end. For hydrogen, the critical point is 33.18 K and 13.0 bar. A cryogenic pressure vessel is particularly suitable for storing the fuel at temperatures significantly below the operating temperature (meaning the temperature range of the vehicle environment in which the vehicle is to be operated) of the motor vehicle, for example at least 50 Kelvin, preferably at least 100 Kelvin or At least 150 Kelvin below the operating temperature of the motor vehicle (usually about -40 ° C to about + 85 ° C). The fuel may be, for example, hydrogen, which is stored at temperatures of about 34 K to 360 K in the cryogenic pressure vessel. The cryogenic pressure container may in particular comprise an inner container which is designed for a nominal operating pressure (also called nominal working pressure or NWP) of about 350 bar (= overpressure relative to the atmospheric pressure), preferably of about 500 bar, and particularly preferably of approx 700 bar or more. The fuel is stored in the inner container. The outer container preferably closes off the pressure vessel to the outside. Preferably, the cryogenic pressure vessel comprises a vacuum with an absolute pressure in the range of 10 -9 mbar to 10 -1 mbar, further preferably from 10 -7 mbar to 10 -3 mbar and particularly preferably from about 10 -5 mbar that at least partially between the inner container and the outer container in an evacuated (intermediate) space or vacuum V is arranged. Storage at temperatures (just) above the critical point has the advantage over storage at temperatures below the critical point that the storage medium is present in a single phase. For example, there is no interface between liquid and gaseous.

Eine Phase der Benutzung des Kraftfahrzeugs ist eine Phase, in der ein Benutzer des Kraftfahrzeugs das Kraftfahrzeug (aktiv) nutzt. Mithin beispielsweise also der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch den Benutzer oder (teil)autonom. A phase of using the motor vehicle is a phase in which a user of the motor vehicle uses the motor vehicle (active). Thus, for example, therefore, the driving operation of the motor vehicle by the user or (part) autonomous.

Eine Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs ist indes eine bzgl. der Fortbewegung inaktive Phase des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten ist die Phase der Nichtbenutzung beispielsweise ein (längeres) Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Benutzer aktiv keine (Fahr)Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle bzw. des Kraftfahrzeuges erfordert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Kraftfahrzeug geparkt ist. In dieser Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeuges kann es jedoch zum Autarkbetrieb des Brennstoffzellensystems kommen, beispielsweise um

  • – durch gewisse Brennstoff-verbrauchende Funktionen des Kraftfahrzeugs irreversible Schäden an dem Brennstoffzellensystem zu vermeiden bzw. verringern (= Schutzfunktionen; z.B. Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Umwandlung von Blow-Off Gas eines kryogenen Druckbehälters); und/oder
  • – Vorkonditionierung-bzw. Komfortfunktionen das Kraftfahrzeug auf die nächste Benutzung des Kraftfahrzeugs vorzubereiten (z.B. Klimatisierung des Fahrgastinnenraums; Aufladen des elektrischen Energiespeichers, etc.).
A phase of non-use of the motor vehicle, however, is a respect. Of locomotion inactive phase of the motor vehicle. In other words, the period of non-use is, for example, a (longer) time interval during which the motor vehicle actively receives no instruction from the user that requires the operation of the fuel cell or of the motor vehicle. This is the case, for example, when a motor vehicle is parked. In this phase of non-use of the motor vehicle, however, autonomous operation of the fuel cell system may occur, for example
  • To prevent or reduce irreversible damage to the fuel cell system by certain fuel-consuming functions of the motor vehicle (= protective functions, eg operation of the fuel cell system for the conversion of blow-off gas of a cryogenic pressure vessel); and or
  • - preconditioning resp. Comfort functions to prepare the motor vehicle for the next use of the motor vehicle (eg air conditioning of the passenger compartment, charging the electrical energy storage, etc.).

Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird der Brennstoff einem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Der Brennstoff kann stromauf und/oder stromab vom Brennstoffzellenstapel dem Kathodensubsystem zugeführt werden, solange der Brennstoff dann in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels gelangt. Unter dem Begriff „dem Kathodenraum zuführen“ ist in diesem Zusammenhang nicht das während der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs ungewollte Übertreten von Brennstoff von der Anode durch den ionenselektiven Separator zur Kathode der Brennstoffzelle gemeint. Es wird insbesondere der infolge einer Erwärmung des Druckbehälters abzuführende Brennstoff (nachstehend auch „Blow-Off Brennstoff“ genannt) dem Kathodensubsystem zugeführt. Infolge einer Erwärmung des Druckbehälters abzuführender Brennstoff ist der Brennstoff, der aus dem Druckbehältersystem abgeführt werden muss, damit der Druck im Druckbehälter nicht auf ein unzulässiges Maß ansteigt. Insbesondere wird der aufgrund einer Erwärmung des Druckbehälters abzuführende Brennstoff über ein Sicherheitsventil bzw. Abblaseventil aus dem Druckbehälter abgeführt, wenn die entsprechenden Auslösedrücke der Ventile erreicht werden. According to the method disclosed herein, the fuel is supplied to a cathode space of the fuel cell stack. The fuel may be supplied to the cathode subsystem upstream and / or downstream of the fuel cell stack as long as the fuel then enters the cathode compartment of the fuel cell stack. In this context, the term "supplying the cathode compartment" does not mean the unintentional passage of fuel from the anode through the ion-selective separator to the cathode of the fuel cell during non-use of the motor vehicle. In particular, the fuel to be removed as a result of heating of the pressure vessel (also referred to below as "blow-off fuel") is supplied to the cathode subsystem. As a result of heating of the pressure vessel to be discharged fuel is the fuel that must be removed from the pressure vessel system, so that the pressure in the pressure vessel does not rise to an impermissible level. In particular, the fuel to be discharged due to heating of the pressure vessel via a safety valve or blow-off valve from the Pressure vessel discharged when the appropriate release pressures of the valves are reached.

Das Sicherheitsventil (SVT) ist ein Überdruckventil, das das Druckbehältersystem entlastet, falls der Druck im Druckbehältersystem zumindest bereichsweise oberhalb vom Auslösedruck des Sicherheitsventils liegt. Bevorzugt ist das Sicherheitsventil ein mechanisches Ventil, welches geöffnet und wieder geschlossen werden kann. Der Auslösedruck ist größer als der max. Betriebsdruck, z.B. ca. 10% bis ca. 20% größer als der nominale Betriebsdruck (= nominal working pressure, NWP). Insbesondere ist das Sicherheitsventil so ausgelegt, dass das Sicherheitsventil i.d.R. auslöst, bevor ein zu hoher Druck die Komponenten des Druckbehältersystems beschädigen könnte. Das Überdruckventil erlaubt insbesondere ein schrittweises Entweichen des Brennstoffs. The safety valve (SVT) is a pressure relief valve that relieves the pressure vessel system if the pressure in the pressure vessel system is at least partially above the triggering pressure of the safety valve. Preferably, the safety valve is a mechanical valve, which can be opened and closed again. The trigger pressure is greater than the max. Operating pressure, e.g. approx. 10% to approx. 20% greater than the nominal working pressure (= nominal working pressure, NWP). In particular, the safety valve is designed so that the safety valve i.d.R. tripped before excessive pressure could damage the components of the pressure vessel system. The pressure relief valve allows in particular a gradual escape of the fuel.

Mithin findet die Überdruckentlastung also nicht durch das Tankabsperrventil statt. Das Tankabsperrventil ist das Ventil, dessen Eingangsdruck (im Wesentlichen) dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil. Das Tankabsperrventil ist i.d.R. in ein On Tank Valve (= OTV) integriert. Das On-Tank-Valve ist die direkt an einem Ende des Druckbehälters montierte und mit dem Inneren des Druckbehälters direkt fluidverbundene Ventileinheit. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet. Thus, the overpressure relief does not take place through the Tankabsperrventil. The Tankabsperrventil is the valve whose inlet pressure (substantially) corresponds to the tank pressure. The tank shut-off valve is in particular a controllable or controllable and in particular normally closed valve. The tank shut-off valve is usually integrated in an on-tank valve (= OTV). The on-tank valve is the valve unit mounted directly at one end of the pressure vessel and directly fluidly connected to the interior of the pressure vessel. In the Commission Regulation (EU) No 406/2010 of 26 April 2010 implementing Regulation (EC) No 79/2009 of the European Parliament and of the Council on the type-approval of hydrogen-powered motor vehicles Such a Tankabsperrventil is also referred to as the first valve.

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Stapel-Absperrventile des Brennstoffzellensystems zumindest zeitweise geschlossen sind. Die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile sind Ventile, die den Brennstoffzellenstapel gegenüber den restlichen Komponenten des Kathodensubsystems gasdicht (bis auf Leckageströme) abschließen können. Die Stapel-Absperrventile dienen dazu, in der Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs das Eindringen von Oxidationsmittel in den durch die Stapel-Absperrventile im Wesentlichen abgeschlossenen Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels bis auf Leckageströme zu unterbinden. Somit wird die Menge an Oxidationsmittel im Brennstoffzellenstapel währen der Phase der Nichtbenutzung des Brennstoffzellensystems begrenzt. Die Stapel-Absperrventile können derart geschlossen werden, dass nach dem Schließen der Stapel-Absperrventile Brennstoff im durch die Stapel-Absperrventile ausgebildeten Kathodenraum zur Reaktion mit dem Oxidationsmittel vorhanden ist. Insbesondere werden die Stapel-Absperrventile des Brennstoffzellensystems geschlossen, nachdem zumindest ein Teil des Blow-off Brennstoffs in den durch die Stapel-Absperrventile und dem Brennstoffzellenstapel ausgebildeten geschlossenen Raum eingeströmt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Blow-Off Brennstoff auch über eine Brennstoffzuleitung in den durch den Stapel-Absperrventilen bereits ausgebildeten und geschlossenen Raum eingebracht werden. Der in dem geschlossenen Raum dann eingeschlossene Brennstoff reagiert mit dem im geschlossenen Raum vorhandenen Oxidationsmittel (z.B. mit Sauerstoff zu Wasser). Somit verringert sich die Oxidationsmittelkonzentration auf der Kathodenseite und die für den Start des Brennstoffzellensystems ungünstige Wasserstoff-Sauerstoff-Front kann sich somit nicht oder zu einem geringerem Grad ausbilden. Die Degradation des Brennstoffzellensystems kann verringert werden. Bevorzugt wird dabei die dem Kathodenraum K zugeführte Menge an Brennstoff so gewählt, dass das Oxidationsmittel im abgeschlossenen Raum vollständig bzw. restlos mit dem Brennstoff reagieren kann. Ist kein Oxidationsmittel mehr auf der Kathodenseite vorhanden, kann sich die Front nicht ausbilden. The method disclosed herein may include the step of at least temporarily closing the stack shutoff valves of the fuel cell system. The cathode-side stack shut-off valves are valves that can close the fuel cell stack to the remaining components of the cathode subsystem gastight (except for leakage currents). The stack shut-off valves are used to prevent in the phase of non-use of the motor vehicle, the penetration of oxidant in the closed by the stack shut-off valves substantially cathode space of the fuel cell stack to leakage currents. Thus, the amount of oxidizer in the fuel cell stack is limited during the phase of non-use of the fuel cell system. The stack shut-off valves may be closed such that after closure of the stack shut-off valves, fuel is present in the cathode compartment formed by the stack shut-off valves for reaction with the oxidant. In particular, the stack shut-off valves of the fuel cell system are closed after at least a portion of the blow-off fuel has flowed into the closed space formed by the stack shut-off valves and the fuel cell stack. Alternatively or additionally, the blow-off fuel can also be introduced via a fuel feed line into the space already formed and closed by the stack shut-off valves. The fuel then trapped in the closed space reacts with the oxidant present in the closed space (e.g., with oxygen to water). Thus, the oxidizing agent concentration on the cathode side decreases, and the hydrogen-oxygen front which is unfavorable for the start of the fuel cell system can not be formed or formed to a lesser degree. The degradation of the fuel cell system can be reduced. Preferably, the amount of fuel supplied to the cathode space K is selected so that the oxidant can react completely or completely with the fuel in the closed space. If no more oxidant on the cathode side, the front can not form.

Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach der Blow-Off Brennstoff in mindestens einem Zwischenspeicher des Brennstoffzellensystems zwischengespeichert wird. Der Zwischenspeicher ist insbesondere fluidverbunden mit dem Kathodensubsystem, insbesondere mit dem abschließbaren Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels. Bevorzugt ist der Zwischenspeicher ferner fluidverbunden mit dem SVT. Das SVT gibt die Fluidverbindung zwischen Zwischenspeicher und kryogenen Druckbehälter frei, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb eines Grenzdruckes liegt, sodass der Blow-Off Brennstoff nach dem Öffnen des SVTs direkt in den Zwischenspeicher strömen kann. Bevorzugt kann stromaufwärts und/oder stromabwärts vom Zwischenspeicher mindestens eine Druckminderungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine Drossel. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Druck des Blow-Off Brennstoffs vor dem Zuführen ins Kathodensubsystem durch mindestens eine Druckminderungseinrichtung reduziert wird. Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach der in dem Zwischenspeicher zwischengespeichert Blow-Off Brennstoff dem Kathodensubsystem zugeführt wird, damit er in dem Brennstoffzellenstapel mit dem dort vorhandenen Oxidationsmittel reagieren kann. Insbesondere ist bei dem hier offenbarten Verfahren vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem zu dem Zeitpunkt keine Energie produziert, zu dem der Brennstoff dem Kathodensubsystem zur katalytischen Umsetzung zugeführt wird. The method disclosed herein may further include the step of caching the blow-off fuel in at least one buffer of the fuel cell system. The buffer is in particular fluid-connected to the cathode subsystem, in particular to the lockable cathode chamber of the fuel cell stack. Preferably, the buffer is further fluidly connected to the SVT. The SVT releases the fluid communication between the cache and the cryogenic pressure vessel when the pressure in the cryogenic pressure vessel is above a threshold pressure so that the blow-off fuel can flow directly into the buffer after opening the SVT. Preferably, at least one pressure reduction device, for example a throttle, may be provided upstream and / or downstream of the buffer. The method disclosed herein may include the step of reducing the pressure of the blow-off fuel prior to delivery to the cathode subsystem by at least one pressure reduction device. The method disclosed herein may further comprise the step of supplying the blow-off stored in the buffer to the cathode subsystem for reacting with the oxidant therein in the fuel cell stack. In particular, it is contemplated in the method disclosed herein that the fuel cell system will not produce energy at the time the fuel is supplied to the cathode subsystem for catalytic conversion.

Vorteilhaft kann somit ein katalytischer Edelmetall-Konverter entfallen oder kleiner ausgelegt werden. Während die Funktion des BMS regelmäßig überprüft werden müsste, um einen gegebenenfalls vorhandenen schlafenden Fehler zu detektieren, wird die Brennstoffzelle sowieso bei jeder Fahrt betrieben. Ein vorhandener Fehler würde so ohne Zusatzmaßnahmen erkannt werden. Der Wasserstoff kann sinnvoll genutzt werden. Advantageously, a catalytic noble metal converter can thus be dispensed with or made smaller. While the function of the BMS regularly would have to be checked to detect a possibly existing sleeping error, the fuel cell is operated anyway with each trip. An existing error would be detected without additional measures. The hydrogen can be used meaningfully.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1546601 B1 [0001] EP 1546601 B1 [0001]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen [0015] Commission Regulation (EU) No 406/2010 of 26 April 2010 implementing Regulation (EC) No 79/2009 of the European Parliament and of the Council on the type-approval of hydrogen-powered motor vehicles [0015]

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens einen kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff umfasst; wobei das Verfahren den Schritt umfasst, wonach aus dem kryogenen Druckbehälter infolge einer Erwärmung des Druckbehälters abzuführender Brennstoff während einer Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs einem Kathodenraum eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.  A method of operating a fuel cell system of a motor vehicle, wherein the fuel cell system comprises at least one fuel cell and at least one cryogenic pressure vessel for storing fuel; wherein the method comprises the step of supplying fuel to be removed from the cryogenic pressure vessel during a phase of non-use of the motor vehicle to a cathode space of a fuel cell stack of the fuel cell system as a result of heating of the pressure vessel. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: zumindest zeitweises Schließen von kathodenseitigen Stapel-Absperrventilen des Brennstoffzellensystems.  The method of claim 1, further comprising the step of: at least temporarily closing cathode side stack shutoff valves of the fuel cell system. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Stapel-Absperrventile derart geschlossen werden, dass nach dem Schließen der Stapel-Absperrventile Brennstoff im durch die Stapel-Absperrventile ausgebildeten Kathodenraum zur Reaktion mit dem Oxidationsmittel vorhanden ist.  The method of claim 2, wherein the stack shut-off valves are closed such that after closure of the stack shut-off valves fuel is present in the cathode space formed by the stack shut-off valves for reaction with the oxidant. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Brennstoff in den durch den Stapel-Absperrventilen und dem Brennstoffzellenstapel ausgebildeten geschlossenen Raum durch eine Brennstoffzuleitung zugeführt wird. The method of claim 2 or 3, wherein the fuel is supplied into the closed space formed by the stack shut-off valves and the fuel cell stack through a fuel supply line. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Zwischenspeicher vorgesehen ist, und wobei der infolge der Erwärmung des Druckbehälters abzuführende Brennstoff in dem Zwischenspeicher zwischengespeichert wird.  Method according to one of the preceding claims, wherein a buffer is provided, and wherein the fuel to be discharged due to the heating of the pressure vessel is temporarily stored in the buffer. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der in dem Zwischenspeicher zwischengespeicherte Brennstoff dem Kathodenraum zugeführt wird.  The method of claim 5, wherein the buffer stored in the buffer is supplied to the cathode compartment. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach der Druck des abzuführenden Brennstoffs vor dem Zuführen in den Kathodenraum durch mindestens eine Druckminderungseinrichtung reduziert wird.  Method according to one of the preceding claims, further comprising the step of reducing the pressure of the fuel to be discharged before being fed into the cathode space by at least one pressure reduction device. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem zu dem Zeitpunkt keine Energie produziert, zu dem der Brennstoff dem Kathodenraum zugeführt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell system produces no energy at the time when the fuel is supplied to the cathode space.
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