DE102017009386A1 - Method for operating a fuel cell of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle - Google Patents

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Gerhard Konrad
Bernhard Bitzer
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, bei welchem wenigstens eine Kathode der Brennstoffzelle mit Luft versorgt wird, welche befeuchtet wird, wodurch ein Feuchtigkeit der Luft eingestellt wird, wobei eine von einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle unterschiedliche und dem Normalbetrieb vorweggehende und/oder auf den Normalbetrieb folgende Betriebsstrategie durchgeführt wird, bei welcher zuerst eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Feuchtigkeit der Luft und ein gegenüber dem Normalbetrieb höhere Druck der Luft eingestellt werden (Schritt S1), wonach eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Temperatur der Brennstoffzelle eingestellt wird (Schritt S2).

Figure DE102017009386A1_0000
The invention relates to a method for operating a fuel cell of a motor vehicle, wherein at least one cathode of the fuel cell is supplied with air, which is humidified, whereby a humidity of the air is set, one of a normal operation of the fuel cell different and normal operation anticipatory and / or or to the normal operation following operating strategy is performed, in which first compared to the normal operation higher humidity of the air and compared to the normal operation higher pressure of the air are set (step S1), after which a relation to the normal operation higher temperature of the fuel cell is set (step S2 ).
Figure DE102017009386A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for operating a fuel cell of a motor vehicle, in particular a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1.

Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise bereits aus der DE 10 2010 048 253 A1 bekannt. Bei dem Verfahren wird wenigstens eine Kathode der Brennstoffzelle mit Luft versorgt, welche, insbesondere mittels eines Befeuchters, befeuchtet wird, wodurch eine Feuchtigkeit der Luft eingestellt wird.Such a method for operating a fuel cell of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle, for example, already from the DE 10 2010 048 253 A1 known. In the method, at least one cathode of the fuel cell is supplied with air, which is moistened, in particular by means of a humidifier, whereby a humidity of the air is adjusted.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter und insbesondere leistungsfähiger Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet werden kann.Object of the present invention is to develop a method of the type mentioned in such a way that a particularly advantageous and especially efficient operation of the fuel cell can be ensured.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter und insbesondere Leistungsfähiger Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine von einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle unterschiedliche und dem Normalbetrieb vorweggehende und/oder auf den Normalbetrieb folgenden Betriebsstrategie durchgeführt wird, bei welcher zuerst eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Feuchtigkeit der Luft und ein gegenüber dem Normalbetrieb höhere Druck der Luft eingestellt werden, wonach eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Temperatur der Brennstoffzelle eingestellt wird. Mit anderen Worten werden beziehungsweise sind beispielsweise in dem Normalbetrieb beziehungsweise während des Normalbetriebs eine erste Feuchtigkeit und ein erster Druck der Luft eingestellt, und die Brennstoffzelle weist eine erste Temperatur auf. Im Rahmen der Betriebsstrategie werden eine gegenüber der ersten Feuchtigkeit höhere zweite Feuchtigkeit und ein gegenüber dem ersten Druck höherer zweiter Druck der Luft eingestellt, wonach eine gegenüber der ersten Temperatur zweite Temperatur eingestellt wird. Durch die Betriebsstrategie kann beispielsweise Ammoniak-Ablagerungen entgegengewirkt werden beziehungsweise solche Ammoniak-Ablagerungen können entfernt oder vermieden werden, sodass ein besonders leistungsfähiger Betrieb der Brennstoffzelle beziehungsweise eines die Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellenstacks, welcher auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet wird, realisiert werden kann.In order to further develop a method specified in the preamble of claim 1 such that a particularly advantageous and particularly efficient operation of the fuel cell can be ensured, it is provided that one of a normal operation of the fuel cell different and normal operation anticipated and / or on the Normal operation following operation strategy is performed, in which first compared to the normal operation higher humidity of the air and compared to the normal operation higher pressure of the air are set, after which a relation to the normal operation higher temperature of the fuel cell is set. In other words, for example, in normal operation or during normal operation, a first humidity and a first pressure of the air are set and the fuel cell has a first temperature. In the context of the operating strategy, a second moisture, which is higher than the first moisture, and a second pressure, which is higher than the first pressure, of the air are set, after which a second temperature is set relative to the first temperature. For example, ammonia deposits can be counteracted by the operating strategy or such ammonia deposits can be removed or avoided, so that a particularly efficient operation of the fuel cell or a fuel cell stack comprising the fuel cell, which is also referred to as a fuel cell stack, can be realized.

Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Interne und externe Untersuchungen haben gezeigt, dass bestimmte gasförmige Schadstoffgase wie zum Beispiel Ammoniak (NH3) zu einer zumindest teilweise irreversiblen Schädigung der Kathode einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels führen können, wodurch die Momentan-Leistung und die Lebensdauer der Brennstoffzelle gegenüber ihrem Neuzustand verringert werden können. Die Luft wird auch als Zuluft bezeichnet und insbesondere derart konditioniert, dass die Luft, insbesondere mittels eines Befeuchters, gezielt befeuchtet wird. Herkömmliche Zuluftkonditionierungen sehen dabei lediglich einen Partikelfilter vor, mittels welchem die Luft gefiltert wird. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, eine negative Wirkung von Schadstoffen, die ansonsten zu einer irreversiblen Schädigung der Brennstoffzelle führen könnten, ohne den Einsatz von zusätzlichen Bauteilen und beispielsweise lediglich durch Konditionierung der Zuluft zu vermeiden oder zumindest besonders gering zu halten.The invention is based in particular on the following finding: Internal and external investigations have shown that certain gaseous pollutant gases such as ammonia (NH 3 ) can lead to at least partially irreversible damage to the cathode of a fuel cell or a fuel cell stack, as a result of which the instantaneous power and the life of the fuel cell compared to its new condition can be reduced. The air is also referred to as supply air and in particular conditioned so that the air, in particular by means of a humidifier, is specifically moistened. Conventional Zuluftkonditionierungen see only a particulate filter, by means of which the air is filtered. In addition, the inventive method allows a negative effect of pollutants that could otherwise lead to irreversible damage to the fuel cell, without the use of additional components and, for example, only by conditioning the supply air to avoid or at least to keep particularly low.

Die Betriebsstrategie wird beispielsweise mindestens einmal pro Fahrt durchgeführt, vorzugsweise kurz vor der Abschaltung des Kraftfahrzeugs, was beispielsweise über ein Navigationssystem des Fahrzeugs realisiert werden kann. Mittels des Navigationssystems wird beziehungsweise ist beispielsweise eine Route, entlang welcher das Kraftfahrzeug gefahren wird, geplant. Mittels des Navigationssystems wird beispielsweise eine aktuelle Position des Kraftfahrzeugs auf der Erde ermittelt. Wird beispielsweise mittels des Navigationssystems ermittelt, dass sich das Kraftfahrzeug kurz vor Ende der geplanten Route befindet, so kann darauf rückgeschlossen werden, dass das Kraftfahrzeug bald abgeschaltet wird. In der Folge kann kurz vor dem Abschalten des Kraftfahrzeugs die Betriebsstrategie durchgeführt werden. Ferner ist es denkbar, dass die Betriebsstrategie, insbesondere mindestens oder genau, einmal pro Stunde, durchgeführt wird.The operating strategy is performed, for example, at least once per trip, preferably just before the shutdown of the motor vehicle, which can be realized for example via a navigation system of the vehicle. By means of the navigation system is or, for example, a route along which the motor vehicle is driven planned. By means of the navigation system, for example, a current position of the motor vehicle on the ground is determined. If it is determined, for example, by means of the navigation system that the motor vehicle is located shortly before the end of the planned route, then it can be concluded that the motor vehicle will soon be switched off. As a result, shortly before switching off the motor vehicle, the operating strategy can be performed. Furthermore, it is conceivable that the operating strategy, in particular at least or exactly, once per hour, is performed.

Alternativ oder zusätzlich wird beispielsweise eine Schadstoffbelastung eines Streckentyps beziehungsweise einer Strecke, welche von dem Kraftfahrzeug befahren wird, überprüft, insbesondere anhand eines Straßentyps. Mittels des Navigationssystems wird beispielsweise eine aktuelle Position des Kraftfahrzeugs ermittelt und/oder es wird eine Strecke, welche von dem Kraftfahrzeug befahren wird, ermittelt. Der aktuellen Position beziehungsweise der Strecke ist beispielsweise wenigstens ein jeweiliges Konzentrationsniveau wenigstens eines Schadstoffes oder mehrerer Schadstoffe entlang der Strecke beziehungsweise an der aktuellen Position zugeordnet. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, wenigstens eine Konzentration zumindest eine Schadstoffes zu ermitteln, wobei diese Konzentration entlang der Strecke beziehungsweise an der aktuellen Position herrscht. Insbesondere erfolgt die Ermittlung der aktuellen Position sattelitenbasiert und dabei beispielsweise mittels GPS (global positioning system). Wird beispielsweise auf die beschriebene Weise ermittelt, dass Strecken mit einer hohen Schadstoffbelastung befahren beziehungsweise durchquert werden, so wir die Betriebsstrategie beispielsweise bis zu einmal pro Viertelstunde durchgeführt, insbesondere am Ende des jeweiligen belasteten Streckenabschnitts.Alternatively or additionally, for example, a pollutant load of a route type or a route which is traveled by the motor vehicle, checked, in particular on the basis of a road type. By means of the navigation system, for example, a current position of the motor vehicle is determined and / or it is a route which is traveled by the motor vehicle, determined. For example, at least one respective concentration level of at least one pollutant or several pollutants along the route or at the current position is assigned to the current position or the route. That's the way it is for example it is possible to determine at least one concentration of at least one pollutant, this concentration prevailing along the route or at the current position. In particular, the determination of the current position is satellite-based and thereby for example by means of GPS (global positioning system). If, for example, it is determined in the manner described that routes with a high pollutant load are traveled or crossed, the operating strategy is carried out, for example, up to once every quarter of an hour, in particular at the end of the respective loaded section of the route.

Im Rahmen der Betriebsstrategie wird beispielsweise ein erster Schritt durchgeführt, bei welchem die in der Luft enthaltene Feuchte gegenüber dem Normalbetrieb sowie der Druck der Luft gegenüber dem Normalbetrieb erhöht werden. Insbesondere wird beispielsweise die relative und auch als Feuchtigkeit bezeichnete Feuchte auf ein temperaturabhängiges Maximum angehoben, insbesondere auf 95 Prozent rH, und beispielsweise gleichzeitig wird der Druck lastpunktabhängig maximiert, insbesondere auf 1 bar bei 0,7 Acm2 und 1,5 bar ab > 0,7 Acm2. Ferner wird beispielsweise nach dem ersten Schritt ein zweiter Schritt durchgeführt, bei welchem die Temperatur der Brennstoffzelle maximal angehoben wird. Insbesondere wird hierbei eine Kühlmittelauslasstemperatur von 95 Grad Celsius eingestellt. Mit anderen Worten wird beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle durch Erhöhen der Temperatur des Kühlmittels, mittels welchem die Brennstoffzelle gekühlt wird, erhöht, sodass beispielsweise eine Auslasstemperatur von 95 Grad Celsius eingestellt wird.As part of the operating strategy, for example, a first step is performed, in which the moisture contained in the air compared to the normal operation and the pressure of the air over the normal operation are increased. In particular, for example, the relative humidity, which is also referred to as humidity, is increased to a temperature-dependent maximum, in particular to 95 percent rH, and, for example, the pressure is simultaneously maximized depending on the load point, in particular to 1 bar at 0.7 Acm 2 and 1.5 bar> 0 , 7 acm 2 . Further, for example, after the first step, a second step is performed in which the temperature of the fuel cell is maximally raised. In particular, a coolant outlet temperature of 95 degrees Celsius is set here. In other words, for example, the temperature of the fuel cell is raised by raising the temperature of the coolant by which the fuel cell is cooled, so that, for example, an outlet temperature of 95 degrees Celsius is set.

Die Betriebsstrategie ist eine Regenerationsmaßnahme, mittels welcher beispielsweise Ammoniak-Ablagerungen an der Brennstoffzelle entfernt oder solche Ammoniak-Ablagerungen vermieden werden können. Durch die Durchführung der Regenerationsmaßnahme in gewissen Intervallen kommt es zu einer geringeren, durch Schadstoffe wie beispielsweise Ammoniak bewirkten Leistungsabnahme und einer längeren Lebensdauer der Brennstoffzelle. Dabei werden zur Durchführung der Betriebsstrategie keine zusätzlichen Bauteile wie Filter benötigt, sodass die Regenerationsmaßnahme einfach und kostengünstig umgesetzt werden kann. Ferner können beispielsweise übermäßige NO-Ablagerungen und/oder Ablagerungen anderer Stoffe vermieden werden, um beispielsweise eine Leistungsbeeinträchtigung beziehungsweise Schädigung der Brennstoffzelle, insbesondere ihres Katalysators zu vermeiden oder zumindest besonders gering zu halten. Die zuvor genannten Schritte sind beispielsweise jeweilige Betriebszustände, welche sich insbesondere unter Beachtung von Betriebsrahmenbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck der Brennstoffzelle abwechseln. Ein erster der Betriebszustände ist das Erhöhten der Feuchtigkeit und des Drucks, wobei der zweite Betriebszustand die Anhebung der Temperatur ist, wobei diese Anhebung beispielsweise mit einer Druckanhebung erfolgt. Die Betriebszustände führen in Summe zu einer besonders hohen Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, da beispielsweise Ammoniak durch Lösung der Feuchtigkeit der Luft abgereichert werden kann. Ferner kann dadurch ein gesteigerter Wasseraustrag aus der Brennstoffzelle bewirkt werden.The operating strategy is a regeneration measure by means of which, for example, ammonia deposits on the fuel cell can be removed or such ammonia deposits can be avoided. By carrying out the regeneration measure at certain intervals, there is a lower power reduction caused by pollutants such as ammonia and a longer service life of the fuel cell. No additional components such as filters are required to carry out the operating strategy, so that the regeneration measure can be implemented simply and inexpensively. Furthermore, for example, excessive NO deposits and / or deposits of other substances can be avoided, for example, to avoid performance degradation or damage to the fuel cell, in particular its catalyst or at least to keep it particularly low. The aforementioned steps are, for example, respective operating states, which alternate in particular under consideration of operating conditions such as temperature, humidity and pressure of the fuel cell. A first of the operating states is the increase in humidity and pressure, the second operating state being the raising of the temperature, this increase taking place, for example, with a pressure increase. The operating states lead in total to a particularly high performance of the fuel cell, since, for example, ammonia can be depleted by dissolving the moisture in the air. Furthermore, this can cause an increased water discharge from the fuel cell.

Die Luft wird beispielsweise mittels eines Befeuchters befeuchtet. Dem Befeuchter ist beispielsweise eine auch als Bypass bezeichnete Umgehung zugeordnet, über welche zumindest ein Teil der Luft den Befeuchter umgehen kann. Die die Umgehung durchströmende Luft wird mittels des Befeuchters nicht befeuchtet. Um beispielsweise die Feuchtigkeit beziehungsweise die Feuchte in der Luft gegenüber dem Normalbetrieb zu erhöhen, wird die Umgehung beispielsweise geschlossen, sodass die Luft gegenüber dem Normalbetrieb stärker befeuchtet wird. Beispielsweise durch eine Vorlaufsteuerung werden die Temperatur des beispielsweise als Kühlwasser beziehungsweise Kühlflüssigkeit ausgebildeten Kühlmittels und in der Folge die Temperatur der Brennstoffzelle beziehungsweise in der Brennstoffzelle erhöht. Die Luft wird beispielsweise, insbesondere stromauf des Befeuchters, mittels eines insbesondere elektrisch betreibbaren Verdichters verdichtet. Die Erhöhung des Drucks erfolgt beispielsweise durch Erhöhung einer Förderleistung beziehungsweise der Drehzahl des Verdichters.The air is moistened, for example by means of a humidifier. The humidifier, for example, is associated with a bypass, also referred to as a bypass, via which at least some of the air can bypass the humidifier. The bypassing air is not humidified by the humidifier. For example, to increase the humidity or the humidity in the air compared to the normal operation, the bypass is closed, for example, so that the air is humidified compared to the normal operation. For example, by a flow control, the temperature of the formed, for example, as cooling water or cooling liquid coolant and subsequently the temperature of the fuel cell or in the fuel cell are increased. The air is compressed, for example, in particular upstream of the humidifier, by means of a particular electrically operable compressor. The increase in pressure takes place for example by increasing a delivery rate or the speed of the compressor.

Das Durchführen der Betriebsstrategie kann in Abhängigkeit von der mittels des Navigationssystems geplanten Route oder unabhängig von der Route durchgeführt werden. Insbesondere wird die Betriebsstrategie in Abhängigkeit von einer zu erwartenden örtlichen Ammoniak-Verschmutzung durchgeführt, welche beispielsweise mittels eines sattelitengestützten Navigationssystems, wenigstens einer Umwelt-Karte, in Abhängigkeit von einer Tageszeit und/oder einem Verkehrsaufkommen und/oder einem Fahrtwind ermittelt wird. Eine Anpassung einer Häufigkeit der Durchführung der Betriebsstrategie erfolgt beispielsweise über Umweltkarten und das Navigationssystem insbesondere an eine aktuelle Belastung. Eventuell kommt ein Speicher zum Einsatz, wobei eine Historie der Schadstoffbelastung und/oder eine Anzahl an Durchführungen der Betriebsstrategie zu speichern. Kann die Betriebsstrategie beispielsweise vor dem Abstellen des Fahrzeugs nicht mehr durchgeführt werden, so wird dies beispielsweise gespeichert, sodass die Betriebsstrategie nach einem Starten des Fahrzeugs durchgeführt wird.The execution of the operating strategy can be carried out in dependence on the route planned by the navigation system or independently of the route. In particular, the operating strategy is carried out as a function of an expected local ammonia pollution, which is determined, for example, by means of a satellite-based navigation system, at least one environmental map, as a function of a time of day and / or traffic volume and / or airstream. An adaptation of a frequency of execution of the operating strategy is carried out for example via environmental maps and the navigation system in particular to a current load. Eventually, a memory is used to store a history of pollution and / or a number of implementations of the operating strategy. If, for example, the operating strategy can no longer be performed before the vehicle is switched off, this is stored, for example, so that the operating strategy is carried out after the vehicle has been started.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the the following description of a preferred embodiment and with reference to the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or alone in the single figure can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the frame to leave the invention.

Die Zeichnung zeigt in der Fig. ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.The drawing shows in the figure a flow chart for illustrating a method according to the invention.

Anhand der einzigen Fig. wird im Folgenden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, beschreiben. Bei dem Verfahren wird wenigstens eine Kathode der Brennstoffzelle mit Luft versorgt, welche mittels eines Befeuchters befeuchtet wird, wodurch eine Feuchtigkeit der Luft eingestellt wird.A method for operating a fuel cell of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle, will be described below with reference to the single FIGURE. In the method, at least one cathode of the fuel cell is supplied with air, which is humidified by means of a humidifier, whereby a humidity of the air is adjusted.

Um nun auf besonders einfache sowie zeit- und gewichtsgünstige Weise eine besonders hohe Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle gewährleisten zu können, wird im Rahmen des Verfahrens eine von einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle unterschiedliche und im Normalbetrieb vorweggehende und/oder auf den Normalbetrieb folgende Betriebsstrategie durchgeführt. Die Betriebsstrategie umfasst einen ersten Schritt S1, bei welchem eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Feuchtigkeit der Luft eingestellt wird. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass eine Umgehungsleitung, über welche zumindest ein Teil der Luft den Befeuchter umgehen kann, gegenüber dem Normalbetrieb stärker geschlossen wird. Des Weiteren wird die Luft beispielsweise während des Normalbetriebs und während der Betriebsstrategie mittels eines Dichters verdichtet. Bei dem ersten Schritt S1 wird ein gegenüber dem Normalbetrieb höherer Druck der Luft eingestellt, indem beispielsweise die Luft während der Betriebsstrategie stärker als während des Normalbetriebs verdichtet wird. Hierzu wird beispielsweise gegenüber dem Normalbetrieb eine höhere Drehzahl und/oder eine höhere Förderleistung des insbesondere elektrisch betreibbaren Verdichters eingestellt.In order to be able to ensure a particularly high performance of the fuel cell in a particularly simple and time and weight-favorable manner, in the context of the method, a different from a normal operation of the fuel cell and in normal operation anticipated and / or performed on the normal operation operating strategy. The operating strategy includes a first step S1 in which a relative to normal operation higher humidity of the air is set. This is realized, for example, in that a bypass line, via which at least some of the air can bypass the humidifier, is closed more strongly than the normal mode. Furthermore, the air is compressed, for example, during normal operation and during the operating strategy by means of a poet. In the first step S1, a higher pressure compared to the normal operation of the air is set, for example by the air during the operating strategy is compressed more than during normal operation. For this purpose, for example, a higher speed and / or a higher delivery rate of the particular electrically operable compressor is set compared to the normal operation.

Die Betriebsstrategie umfasst ferner einen zweiten Schritt S2, der beispielsweise nach dem ersten Schritt S1 durchgeführt wird. Bei dem zweiten Schritt wird eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Temperatur der Brennstoffzelle eingestellt. Dies wird beispielsweise derart realisiert, dass eine Temperatur eines Kühlmittels, mittels welchem die Brennstoffzelle während des Normalbetriebs und während der Betriebsstrategie gekühlt wird, gegenüber dem Normalbetrieb erhöht wird. Dies erfolgt beispielsweise derart, dass das insbesondere als Kühlflüssigkeit ausgebildete Kühlmittel während der Betriebsstrategie weniger stark als während des Normalbetriebs gekühlt wird. Im laufenden Fahrzeugbetrieb werden beispielsweise unterschiedliche Parameter periodisch angepasst, um beispielsweise den Einfluss von Schadstoffen, insbesondere von Ammoniak (NH3), auf die Brennstoffzelle, insbesondere auf deren Betrieb und Leistungsfähigkeit zu minimieren. Gerade für Ammoniak ist eine Betriebsstrategie vorteilhaft, mittels welcher Ammoniakablagerungen an der Brennstoffzelle vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden, da der Schadstoff Ammoniak durch den normalen Brennstoffzellenbetrieb schlechter zu regenerieren ist als andere häufige Schadstoffe wie Stickoxide. Die Betriebsstrategie soll dabei den normalen Betrieb, das heißt den Normalbetrieb nicht stören, weshalb unterschiedliche Einschränkungen zu beachten sind:

  • - Die Temperatur des Kühlmittelauslasses ist begrenzt.
  • - Die Lufttemperatur kann nicht beeinflusst werden.
  • - Eine Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur führt zwangsläufig zu einer Verringerung der relativen Feuchtigkeit.
  • - Bei geringe Leistungen des Brennstoffzellensystems ist der maximal realisierbare Druck begrenzt.
The operating strategy also includes a second step S2 for example, after the first step S1 is carried out. In the second step, a higher temperature compared to the normal operation of the fuel cell is set. This is realized, for example, such that a temperature of a coolant, by means of which the fuel cell is cooled during normal operation and during the operating strategy, is increased compared to the normal operation. This is done, for example, such that the coolant formed in particular as a cooling liquid during the operating strategy is less strongly cooled than during normal operation. In ongoing vehicle operation, for example, different parameters are periodically adjusted, for example, to minimize the influence of pollutants, in particular ammonia (NH3), on the fuel cell, in particular its operation and performance. Especially for ammonia, an operating strategy is advantageous by means of which ammonia deposits are avoided or at least kept particularly low on the fuel cell, since the pollutant ammonia is worse to regenerate by the normal fuel cell operation than other common pollutants such as nitrogen oxides. The operating strategy should not interfere with normal operation, ie normal operation, which is why different restrictions must be observed:
  • - The temperature of the coolant outlet is limited.
  • - The air temperature can not be influenced.
  • - An increase in the fuel cell temperature inevitably leads to a reduction in the relative humidity.
  • - At low power of the fuel cell system, the maximum realizable pressure is limited.

Unter Beachtung dieser Einschränkungen wurde die Betriebsstrategie entwickelt. Sie umfasst die Schritte S1 und S2 als zwei Betriebszustände, die sich mindestens einmal abwechseln. Bei dem ersten Schritt S1 beziehungsweise in einem ersten der Betriebszustände wird die relative Feuchtigkeit auf das temperaturabhängige Maximum angehoben, indem die auch als Bypass bezeichnete Umgehungsleitung, insbesondere vollständig, geschlossen wird. Hierdurch wird Ammoniak gelöst. Bei dem zweiten Schritt S2 beziehungsweise im zweiten Betriebszustand wird die Temperatur der Brennstoffzelle beziehungsweise eines die Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellenstapels, welcher auch als Brennstoffzellenstack oder Stack bezeichnet wird, maximal angehoben, indem die Temperatur des Kühlmittels, insbesondere die Vorlauftemperatur des Kühlmittels, angepasst und insbesondere erhöht wird. Gleichzeitig wird der Druck lastpunktabhängig über den Verdichter maximiert. Diese Maßnahme führt einerseits zu einer verbesserten Leitungsfähigkeit der Brennstoffzelle, wodurch die Sauerstoffreduktionsreaktion unterstützt und die Desorption von Schadstoffen auf der Katalysatoroberfläche gesteigert wird. Zusätzlich beeinflusst der Druck die Verteilung von Ammoniak in der Wasser- und der Gasphase, wodurch weiteres Ammoniak (NH3) gelöst wird. Ein positiver Nebeneffekt ist der gesteigerte Wasseraustrag aus der Brennstoffzelle, wobei der Austrag des gelösten Ammoniaks beschleunigt und ein Fluten der Brennstoffzelle verhindert wird.Taking into account these limitations, the operating strategy has been developed. It includes the steps S1 and S2 as two operating states that alternate at least once. At the first step S1 or in a first of the operating states, the relative humidity is raised to the temperature-dependent maximum by closing the by-pass line, also referred to as bypass, in particular completely. As a result, ammonia is dissolved. At the second step S2 or in the second operating state, the temperature of the fuel cell or of a fuel cell stack comprising the fuel cell, which is also referred to as fuel cell stack or stack, maximum raised by the temperature of the coolant, in particular the flow temperature of the coolant, adapted and in particular increased. At the same time, the pressure is maximized depending on the load point via the compressor. On the one hand, this measure leads to an improved conductivity of the fuel cell, which supports the oxygen reduction reaction and increases the desorption of pollutants on the catalyst surface. In addition, the pressure affects the distribution of ammonia in the water and gas phases, thereby dissolving more ammonia (NH3). A positive side effect is the increased water discharge from the Fuel cell, wherein the discharge of the dissolved ammonia accelerated and flooding of the fuel cell is prevented.

Die Betriebszustände beziehungsweise die Schritte S1 und S2 werden mindestens einmal pro Fahrt für jeweils etwa fünf Minuten angewendet beziehungsweise durchgeführt. Dies geschieht vorzugsweise relativ kurz vor der Abschaltung des Kraftfahrzeugs, was beispielsweise mit Hilfe eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs realisiert wird. Mittels des Navigationssystems ist beziehungsweise wird beispielsweise eine Route geplant, entlang welcher das Kraftfahrzeug gefahren wird. Die Route erstreckt sich von einem Startort zu einem Zielort, sodass das Kraftfahrzeug dann, wenn es entlang der Route gefahren wird, von dem Startort zu dem Zielort gefahren wird. Anhand der Route und dadurch, dass mittels des Navigationssystems wenigstens eine aktuelle Position des Kraftfahrzeugs bestimmt wird, kann die aktuelle Position des Kraftfahrzeugs in Bezug zu dem Zielort gesetzt werden, sodass beispielsweise ermittelt werden kann, dass sich das Kraftfahrzeug kurz vor dem Zielort befindet. Ist dies der Fall, so wird beispielsweise die Betriebsstrategie vor Erreichen des Zielorts durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich wird beispielsweise eine aktuelle Schadstoffbelastung mittels des Navigationssystems anhand des Straßentyps und mithilfe hinterlegter Schadstoffkonzentrationen für jeweilige Straßentypen überprüft. Als Grundlage der Berechnung dienen beispielsweise die Konzentrationen, die vom FZ Jülich im Rahmen des Projekts ALASKA (Projektnummer 03ET6036B) mit dem mobilen Messlabor erfasst worden sein. Die Straßen sind eingeteilt in die folgenden vier Kategorien: 1. Autobahn, 2. Autobahntunnel, 3. Bundesstraßen und Landstraßen, 4. Hauptstraßen, Nebenstraßen, Sonstige, Tunnel. Für jeden Typ ist die durchschnittliche Schadstoffkonzentration bekannt und hinterlegt. Im Falle einer Durchquerung beziehungsweise Befahrung höher belasteter Strecken ohne Schutz der Brennstoffzelle wird die Betriebsstrategie bis zu einmal pro Viertelstunde ausgeführt. Dies geschieht vorzugsweise am Ende des jeweiligen belasteten Streckenabschnitts.The operating states or the steps S1 and S2 be applied or carried out at least once per trip for about five minutes. This is preferably done relatively shortly before the shutdown of the motor vehicle, which is realized for example with the aid of a navigation system of the motor vehicle. By means of the navigation system is or, for example, a route is planned, along which the motor vehicle is driven. The route extends from a starting location to a destination so that when the vehicle is driven along the route, the motor vehicle is driven from the starting location to the destination. On the basis of the route and the fact that at least one current position of the motor vehicle is determined by means of the navigation system, the current position of the motor vehicle relative to the destination can be set, so that it can be determined, for example, that the motor vehicle is shortly before the destination. If this is the case, for example, the operating strategy is performed before reaching the destination. Alternatively or additionally, for example, an actual pollution load is checked by means of the navigation system on the basis of the road type and with stored pollutant concentrations for respective road types. For example, the concentrations used by FZ Jülich as part of the ALASKA project (project number 03ET6036B) with the mobile measuring laboratory serve as the basis for the calculation. The roads are divided into the following four categories: 1. Motorway, 2. Motorway Tunnel, 3. National Roads and Highways, 4. Main Roads, Side Roads, Other, Tunnels. For each type, the average pollutant concentration is known and deposited. In the case of crossing or driving on higher-loaded routes without protection of the fuel cell, the operating strategy is executed up to once every fifteen minutes. This is preferably done at the end of the respective loaded section of the route.

Die Betriebsstrategie ist eine Regenerationsmaßnahme, welche sich besonders bei einer irreversiblen Schädigung durch Ammoniak anbietet. Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) werden allein durch den Betrieb des Kraftfahrzeugs mit sauberer Luft abgereinigt. Die Betriebsstrategie wurde aber auch ohne Schadstoff und für NO qualifiziert, um einen negativen Einfluss auszuschließen. Zur Qualifikation der Betriebsstrategie wurden volldynamische Versuche mit einem realistischen Zyklus durchgeführt. Teilweise wurde die Betriebsstrategie angewendet und teilweise nicht. Zur Verifikation wurden konstanten Betriebspunkte in den Zyklus eingefügt, um das Leistungsniveau der Brennstoffzelle zu beurteilen, zudem wurde jeweils vor und nach dem dynamischen Teil eine UI-Kennlinie eingefügt. Dabei werden statische Abschnitte zur Beurteilung der Brennstoffzellenleistung herangezogen. Es hat sich gezeigt, dass das Durchführen der Betriebsstrategie zu einem höheren Spannungsniveau der Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Betrieb erzielt wird, bei welchem die Betriebsstrategie nicht durchgeführt wird. Bei einem Mitteln über jeweils 20 Versuche liegt die Spannung bei der Verwendung der Betriebsstrategie 12 Prozent höher als wenn die Betriebsstrategie nicht durchgeführt wird.The operating strategy is a regeneration measure, which is particularly suitable for irreversible damage caused by ammonia. Nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) are purified by clean air operation of the motor vehicle alone. However, the operating strategy was also qualified without pollutants and for NO in order to rule out a negative influence. To qualify the operating strategy, fully dynamic tests were carried out with a realistic cycle. Partly the operational strategy was used and partly not. For verification, constant operating points were added to the cycle to assess the performance level of the fuel cell, and a UI characteristic was added before and after the dynamic part. Static sections are used to assess fuel cell performance. It has been found that the performance of the operating strategy is achieved to a higher voltage level of the fuel cell as compared to an operation in which the operating strategy is not performed. When averaging over 20 trials each, the voltage when using the operating strategy is 12 percent higher than when the operating strategy is not performed.

Die UI-Kennlinien, die vor und nach den Versuchen durchgeführt wurden, zeigen darüber hinaus eine positive Wirkung auf die Brennstoffzelle vor allem bei Ammoniak aber auch ohne Schadgaszugabe oder bei der Verwendung von Stickstoffmonoxid. Es wurde gefunden, dass sich eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle durch die Betriebsstrategie realisieren lässt. Im Falle von Ammoniak vergrößert sich die Fläche unter der jeweiligen UI-Kennlinie um knapp 20 Prozent im Vergleich zur Kennlinie ohne das Durchführen der Betriebsstrategie. Im Falle von Stickstoffmonoxid und der Brennstoffzelle ohne Schadstoff tritt immerhin noch eine Verbesserung um jeweils 8 Prozent ein. Die erhöhte eine Leistungsfähigkeit im Falle von Stickstoffmonoxid und ohne Schadstoff ist hierbei auf einen günstigeren Wasserhaushalt zurückzuführen. Zudem ist die Betriebsstrategie allgemein geeignet Adsorbate von Platin der Brennstoffzelle zu entfernen, aus der Zelle auszuwaschen und so den Katalysator der Brennstoffzelle zu reaktivieren. Die Betriebsstrategie ist demnach geeignet, Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen gegen den negativen Einfluss von Luftschadstoffen zu schützen und die Lebensdauer signifikant zu steigern.In addition, the UI characteristics that were carried out before and after the tests show a positive effect on the fuel cell, above all in the case of ammonia, but also without the addition of noxious gas or the use of nitrogen monoxide. It has been found that an improvement in the performance of the fuel cell can be realized by the operating strategy. In the case of ammonia, the area under the respective UI characteristic increases by almost 20 percent compared to the characteristic curve without performing the operating strategy. In the case of nitrogen monoxide and the fuel cell without pollutants, after all, there is still an improvement of 8 percent. The increased performance in the case of nitrogen monoxide and without pollutants is due here to a more favorable water balance. In addition, the operating strategy is generally suitable for removing adsorbates of platinum from the fuel cell, washing them out of the cell and thus reactivating the catalyst of the fuel cell. The operating strategy is therefore suitable for protecting fuel cells in motor vehicles against the negative influence of air pollutants and for significantly increasing the service life.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010048253 A1 [0002]DE 102010048253 A1 [0002]

Claims (6)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, bei welchem wenigstens eine Kathode der Brennstoffzelle mit Luft versorgt wird, welche befeuchtet wird, wodurch ein Feuchtigkeit der Luft eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle unterschiedliche und dem Normalbetrieb vorweggehende und/oder auf den Normalbetrieb folgende Betriebsstrategie durchgeführt wird, bei welcher zuerst eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Feuchtigkeit der Luft und ein gegenüber dem Normalbetrieb höhere Druck der Luft eingestellt werden (Schritt S1), wonach eine gegenüber dem Normalbetrieb höhere Temperatur der Brennstoffzelle eingestellt wird (Schritt S2).A method of operating a fuel cell of a motor vehicle, wherein at least one cathode of the fuel cell is supplied with air, which is humidified, whereby a humidity of the air is set, characterized in that one of a normal operation of the fuel cell different and normal operation anticipated and / or operating mode following the normal operation is performed, in which first of all a higher humidity of the air compared to the normal operation and a higher pressure of the air compared to the normal operation are set (step S1), after which a higher temperature of the fuel cell compared to the normal operation is set (step S2) , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstrategie, insbesondere regelmäßig, mindestens einmal pro Fahrt und/oder mindestens einmal pro Stunde, durchgeführt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the operating strategy, in particular regularly, at least once per trip and / or at least once per hour, is performed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstrategie in Abhängigkeit von einer zu erwartenden örtlichen Ammoniak-Belastung der Luft durchgeführt wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the operating strategy is performed in response to an expected local ammonia load of the air. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchte der Luft durch Schließen einer Befeuchter-Umgehung erhöht wird (Schritt S1).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the humidity of the air is increased by closing a humidifier bypass (step S1). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch Erhöhen einer Kühlmitteltemperatur erhöht wird (Schritt S2).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature is increased by increasing a coolant temperature (step S2). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch Erhöhen einer Drehzahl eines Verdichters zum Verdichten der Luft erhöht wird (Schritt S1).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure is increased by increasing a rotational speed of a compressor for compressing the air (step S1).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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