DE102018201253A1 - Method for the frost start of a fuel cell system and fuel cell system for the application of the method - Google Patents

Method for the frost start of a fuel cell system and fuel cell system for the application of the method Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Froststart eines einen Brennstoffzellenstapel (5) aufweisenden Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte:- Feststellung des Vorliegens der Voraussetzung eines Froststartes anhand der Temperatur,- Beginn der Wasserstoffversorgung des Anodenraumes,- Initiieren von einer ersten Phase mit dem Beginn der Sauerstoffversorgung eines Kathodenraumes des Brennstoffzellenstapels (5) im unterstöchiometrischen Verhältnis mit dem Zustand der Sauerstoffverarmung und Beenden der ersten Phase, wenn die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas einen Grenzwert erreicht,- Beginn einer zweiten Phase mit der Erhöhung der Sauerstoffversorgung des Kathodenraumes zur Verdünnung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas, und- iterativer Phasenwechsel bis mittels einer erzeugten Wärme und/oder anhand der Temperatur festgestellt ist, dass die Voraussetzung des Froststartes nicht mehr gegeben ist- Beenden des Phasenwechsels und Beginn eines Normalbetriebs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem (1), das geeignet ist zur Anwendung des Verfahrens.The invention relates to a method for the frost start of a fuel cell system (1) having a fuel cell stack (5), comprising the steps of: - determining the presence of the requirement of a frost start based on the temperature, - starting the hydrogen supply of the anode space, - initiating a first phase with the beginning of the oxygen supply of a cathode space of the fuel cell stack (5) in the substoichiometric ratio with the state of oxygen depletion and completion of the first phase, when the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas reaches a limit, - starting a second phase with increasing the oxygen supply of the cathode space to dilute the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, and iterative phase change is determined by means of a generated heat and / or based on the temperature that the prerequisite of the frost start is no longer given - ending the phase change and the beginning of a Normalbe drive. The invention further relates to a fuel cell system (1) which is suitable for use of the method.

Description

Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren für den Froststart eines einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystems, umfassend die Schritte:

  • - Feststellung des Vorliegens der Voraussetzung eines Froststartes anhand der Temperatur,
  • - Beginn der Wasserstoffversorgung des Anodenraumes
  • - Initiieren von einer ersten Phase mit dem Beginn der Sauerstoffversorgung eines Kathodenraumes des Brennstoffzellenstapels im unterstöchiometrischen Verhältnis mit dem Zustand der Sauerstoffverarmung und Beenden der ersten Phase, wenn die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas einen Grenzwert erreicht,
  • - Beginn einer zweiten Phase mit der Erhöhung der Sauerstoffversorgung des Kathodenraumes zur Verdünnung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas, und
  • - iterativer Phasenwechsel bis mittels der erzeugten Wärme und/oder anhand der Temperatur festgestellt ist, dass die Voraussetzung des Froststartes nicht mehr gegeben ist,
  • - Beenden des Phasenwechsels und Beginn des Normalbetriebs.
The invention is formed by a method for the frost start of a fuel cell stack having a fuel cell stack, comprising the steps:
  • Determination of the existence of the condition of a frost start on the basis of the temperature,
  • - Start of the hydrogen supply of the anode compartment
  • Initiation of a first phase with the start of the oxygen supply of a cathode space of the fuel cell stack in the substoichiometric ratio with the state of the oxygen depletion and ending of the first phase when the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas reaches a limit,
  • - Beginning of a second phase with the increase of the oxygen supply of the cathode space for dilution of the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, and
  • iterative phase change is determined by means of the heat generated and / or based on the temperature that the prerequisite of the frost start is no longer given,
  • - End of the phase change and start of normal operation.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.The invention further relates to a fuel cell system for carrying out the method.

Brennstoffzellensysteme werden in sehr unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt, so dass auch die äußeren Rahmenbedingungen beim Start eines Brennstoffzellensystems deutlich variieren können.Fuel cell systems are used in very different environments, so that the external conditions at the start of a fuel cell system can vary significantly.

Ist das Brennstoffzellensystem beispielsweise einem Kraftfahrzeug zugeordnet, so kann das Brennstoffzellensystem tiefen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ausgesetzt sein, so dass die Gefahr besteht, dass beim Start des Brennstoffzellensystems das bei der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Produktwasser gefriert. Daraus ergibt sich das Erfordernis, kurzfristig viel Wärme zu erzeugen. Dazu ist es beispielsweise aus der DE 10 2012 218 584 A1 bekannt, eine Luftverarmung im Brennstoffzellenstapel zu erzeugen, wodurch dessen Effizienz reduziert und eine Verlustwärme erhöht wird. Die US 2001/0028967 A1 offenbart gleichfalls die Möglichkeit, eine erhöhte Wärmeproduktion in einem Brennstoffzellensystem durch eine lang andauernde oder eine intermittierende Unterbrechung der Luftversorgung zu erzeugen, wodurch in dem Brennstoffzellensystem eine gesteigerte Verlustwärme anfällt, mit der das Brennstoffzellensystem erwärmt wird. Die EP 1 233 468 A2 verweist gleichfalls auf die Möglichkeit, durch eine Luftverarmung eine erhöhte Wärmeproduktion zu erzielen.If the fuel cell system is associated, for example, with a motor vehicle, then the fuel cell system may be exposed to low temperatures below the freezing point of water, so that the danger exists that the product water produced during the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen freezes when the fuel cell system is started. This results in the need to generate a lot of heat in the short term. This is for example from the DE 10 2012 218 584 A1 It is known to create an air depletion in the fuel cell stack, thereby reducing its efficiency and increasing waste heat. The US 2001/0028967 A1 also discloses the possibility of generating an increased heat production in a fuel cell system by a long-lasting or an intermittent interruption of the air supply, whereby in the fuel cell system results in increased heat loss, with which the fuel cell system is heated. The EP 1 233 468 A2 also points to the possibility of achieving increased heat production through air depletion.

Problematisch ist bei dieser Art der Erwärmung des Brennstoffzellensystems, dass im Betrieb unter Luftverarmung eine Anreicherung von Wasserstoff auf der Kathodenseite erfolgt, da nicht genügend Sauerstoff zur vollständigen Umsetzung zur Verfügung steht. Dadurch kommt es zu höheren Wasserstoffkonzentrationen im Kathodenabgas, die zur Überschreitung gesetzlich vorgegebener Grenzwerte führt. Dies wird im Stand der Technik bisher vermieden, indem ein zusätzlicher Luftmassenstrom durch eine Bypassleitung zur Verdünnung des Kathodenabgases mit der darin enthaltenen Wasserstoffkonzentration genutzt wird.The problem with this type of heating of the fuel cell system that in operation under air depletion enrichment of hydrogen takes place on the cathode side, since not enough oxygen is available for complete implementation. This leads to higher hydrogen concentrations in the cathode exhaust gas, which leads to exceeding legally prescribed limit values. This has hitherto been avoided in the prior art by using an additional air mass flow through a bypass line for diluting the cathode exhaust gas with the hydrogen concentration contained therein.

Ein weiteres Problem bei den Rahmenbedingungen eines Froststartes eines Brennstoffzellensystems liegt darin, dass das Brennstoffzellensystem häufig in Verbindung mit einer Batterie betrieben wird, die bei tiefen Temperaturen nicht leistungsfähig ist. Ohne einen energieverbrauchenden Heizkreislauf werden die heute verwendeten Batterien nur durch Belastung in Lade- und Entladezyklen warm; da das Brennstoffzellensystem aber selber in einem schlechten Wirkungsgrad durch Luftverarmung betrieben wird, erfolgt auch keine die Temperatur der Batterie signifikant erhöhende Ladung.Another problem with the general conditions of a frost start of a fuel cell system is that the fuel cell system is often operated in conjunction with a battery that is not efficient at low temperatures. Without an energy-consuming heating circuit, the batteries used today will only get warm by charging in charge and discharge cycles; However, since the fuel cell system itself is operated in a poor efficiency by air depletion, there is no significant increase in the temperature of the battery charge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die mit den drei vorstehend genannten Nachteilen verbundenen Probleme bei dem Verfahren zur Durchführung eines Froststartes zu beseitigen bzw. zumindest zu mildern. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, ein optimiertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.The invention is therefore based on the object to eliminate the problems associated with the three aforementioned disadvantages in the method for performing a frost start or at least mitigate. The object of the invention is also to provide an optimized fuel cell system.

Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Optimierung stattfindet hinsichtlich der Dauer der Luftverarmung in der ersten Phase, um möglichst lange eine erhöhte Wärmeproduktion bereitzustellen, wobei die erste Phase gezielt erst dann beendet wird, wenn durch die Höhe der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas die Reduktion der Wasserstoffkonzen-tration erforderlich wird. Dies wird erreicht durch die Erhöhung der Sauerstoffversorgung, wodurch die Wasserstoffkonzentration abgesenkt wird durch zwei Effekte, nämlich zum einen durch erhöhte Abreaktion und zum anderen durch Verdünnung, so dass der einzuhaltende Grenzwert nicht überschritten wird. In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf hingewiesen, dass der Grenzwert in der Regel durch gesetzliche Vorgaben gesetzt ist, die sich allerdings an einem technisch sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems orientieren. Der Grenzwert kann daher durchaus in unterschiedlichen Anwendungsfällen unterschiedlich gesetzt sein. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüche angegeben.The process part of the object is achieved by a method according to claim 1, which is characterized in that an optimization takes place in terms of the duration of air depletion in the first phase to provide increased heat production as long as possible, the first phase targeted only then is terminated when the reduction of Wasserstoffkonzen-tration is required by the height of the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas. This is achieved by increasing the oxygen supply, whereby the hydrogen concentration is lowered by two effects, namely on the one hand by increased Abreaktion and the other by dilution, so that the limit to be met is not exceeded. In this context, it is again pointed out that the limit value is usually set by legal requirements, which, however, are based on a technically safe operation of the fuel cell system. The limit Therefore, it can certainly be set differently in different applications. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt also gezielt ein iteraktiver Phasenwechsel zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase, der die beiden Erfordernisse einer erhöhten Wärmeproduktion bei Vermeidung einer überschießenden Wasserkonzentration bereitstellt.Thus, according to the method of the invention, an iterative phase change between the first phase and the second phase, which provides the two requirements of increased heat production while avoiding an excess water concentration, takes place deliberately.

Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin bevorzugt, dass ein Wasserstoffsensor zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas verwendet wird. Prinzipiell ist es möglich, ausgehend von den bekannten Startbedingungen das Ansteigen der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas vorherzusagen oder experimentell zu bestimmen, um dann ausgehend von den bekannten Daten den Wechsel zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase nur über den Zeitablauf zu regeln. Genauer und flexibler ist allerdings die Verwendung des Wasserstoffsensors.In the context of the invention, it is further preferred that a hydrogen sensor is used to determine the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas. In principle, it is possible, starting from the known starting conditions, to predict or experimentally determine the increase in the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, in order then to regulate the change between the first phase and the second phase only over the course of time on the basis of the known data. More precise and flexible, however, is the use of the hydrogen sensor.

Im Rahmen der Erfindung hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn die zweite Phase beendet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas auf einen Wert zwischen 40 % und 95 % des Grenzwertes abgesenkt ist und/oder eine Vereisung des Produktwassers an der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels droht. Wird beispielsweise ein Phasenwechsel initiiert, wenn der Grenzwert der Wasserstoffkonzentration nur auf 90 % des Grenzwertes abgesenkt ist, wird sich nachfolgend ein schneller erneuter Phasenwechsel als notwendig erweisen, so dass eine weitergehende Absenkung des Istwertes in Relation zum Grenzwert wünschenswert ist. Dies findet allerdings dann seine Grenze, wenn aufgrund der gegebenen Außentemperatur ein Frieren des Produktwassers droht, so dass in diesem Fall in dem vorgegebenen Intervall eher die obere Grenze genutzt wird und mit fortschreitender Erwärmung des Brennstoffzellensystems der unteren Grenze von 40 % des Intervalls zugestrebt werden kann.In the context of the invention, it has further been found to be advantageous if the second phase is terminated when the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is lowered to a value between 40% and 95% of the limit and / or threatens icing of the product water on the surface of the fuel cell stack , If, for example, a phase change is initiated when the limit value of the hydrogen concentration has been lowered to only 90% of the limit value, subsequently a faster renewed phase change will prove necessary, so that a further lowering of the actual value in relation to the limit value is desirable. However, this is then its limit, if due to the given outside temperature threatens a freezing of the product water, so that in this case in the given interval rather the upper limit is used and with progressing heating of the fuel cell system, the lower limit of 40% of the interval can be strived for ,

Besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es, wenn die Sauerstoffversorgung mittels Luft erfolgt, die durch einen Verdichter komprimiert wird, dessen Energiebedarf durch eine Batterie gedeckt wird, so dass zusätzlich in der zweiten Phase durch die erforderlichen elektrischen Verbraucher eine die Erwärmung der Batterie fördernde Belastung in einem Entladezyklus erfolgt, also neben der starken Erwärmung in der ersten Phase im Brennstoffzellensystem auch eine erhöhte Wärmeproduktion außerhalb des Brennstoffzellensytems in der zweiten Phase bereitgestellt ist.Particularly preferred within the scope of the invention is when the oxygen supply takes place by means of air, which is compressed by a compressor, the energy requirement is covered by a battery, so that additionally in the second phase by the required electrical load, a heating of the battery-promoting load takes place in a discharge cycle, so in addition to the strong heating in the first phase in the fuel cell system, an increased heat production outside of the fuel cell system is provided in the second phase.

Es ist daher auch vorgesehen, dass in der zweiten Phase der Verdichter im Bereich von 75 % bis 100 % seiner Maximalleistung betrieben wird, da durch das Ausschöpfen des Leistungspotentials eine besonders hohe Belastung der Batterie mit der gewünschten schnellen Erwärmung erfolgt.It is therefore also envisaged that in the second phase of the compressor is operated in the range of 75% to 100% of its maximum power, since by exhausting the power potential, a particularly high load of the battery with the desired rapid heating takes place.

Als zweckmäßig hat es sich gezeigt, dass in einem initialen Phasenzyklus die Sauerstoffverarmung so bemessen wird, dass das Brennstoffzellensystem den Bedarf der elektrischen Verbraucher deckt. Es wird also gerade so viel elektrische Energie wie erforderlich produziert, so dass diesbezüglich die Sauerstoffverarmung optimiert bzw. maximiert ist mit dem Ziel einer besonders schnellen Erwärmung des Brennstoffzellensystems im initialen Phasenzyklus.It has proven to be expedient for the oxygen depletion to be dimensioned in an initial phase cycle such that the fuel cell system covers the requirements of the electrical consumers. Thus, just as much electrical energy as required is produced, so that in this respect the oxygen depletion is optimized or maximized with the aim of particularly rapid heating of the fuel cell system in the initial phase cycle.

Vorteilhaft ist es dann, wenn in einem zweiten oder einem späteren Phasenzyklus die Höhe der Sauerstoffverarmung so bemessen wird, dass das Brennstoffzellensystem den Bedarf der elektrischen Verbraucher deckt und die Batterie zur Versorgung der elektrischen Verbraucher lädt. Damit ist dann sichergestellt, dass auch eine Erwärmung der Batterie in der ersten Phase durch den Ladezyklus erfolgt und nicht zum Ende der Erwärmung eine weitgehend entladene Batterie nachteilig für den Normalbetrieb ist.It is advantageous if, in a second or a later phase cycle, the amount of oxygen depletion is dimensioned such that the fuel cell system covers the needs of the electrical consumers and charges the battery for supplying the electrical consumers. This ensures that a warming of the battery in the first phase is carried out by the charging cycle and not at the end of the heating a largely discharged battery is detrimental to normal operation.

Vorgesehen ist weiterhin, dass mit zunehmender Erwärmung des Brennstoffzellenstapels die Dauer der ersten Phase verkürzt wird.It is furthermore provided that as the fuel cell stack heats up, the duration of the first phase is shortened.

Außerdem ist es zweckmäßig, wenn die kumulierte Dauer der ersten Phase und die kumulierte Dauer der zweiten Phase so bemessen ist, dass die Voraussetzungen des Froststartes sowohl hinsichtlich der Temperatur des Brennstoffzellenstapels als auch hinsichtlich der Temperatur der Batterie nicht mehr gegeben sind.In addition, it is expedient if the cumulative duration of the first phase and the cumulative duration of the second phase are dimensioned such that the prerequisites of the frost start are no longer present both with regard to the temperature of the fuel cell stack and with respect to the temperature of the battery.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Brennstoffzellensystem, das hinsichtlich der Durchführung der vorstehend genannten Verfahren optimiert ist, indem das Sauerstoffversorgungssystem im Hinblick auf die Wasserstoffverdünnung bypassfrei ausgeführt ist.The invention furthermore relates to a fuel cell system which is optimized with regard to the implementation of the abovementioned methods in that the oxygen supply system is designed bypass-free with regard to the hydrogen dilution.

Die Probleme eines Froststartes sind insbesondere bei im Freien betriebenen Kraftfahrzeugen gegeben, so dass Verbesserungen des Brennstoffzellensystem sich hierbei besonders auf den Gebrauchswert und die Alltagstauglichkeit auswirken.The problems of a frost start are given especially in motor vehicles operated outdoors, so that improvements of the fuel cell system in this case particularly affect the utility value and everyday practicality.

Da keine schädliche, den Grenzwert übersteigende Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas erreicht wird, ist es auch nicht erforderlich, einen Luftmassenstrom zur Verdünnung des Kathodenabgabes mittels eines Bypass-Luftpfades bereitzustellen, so dass auf die Komponenten wie Verschlauchung, Klappen und Ventile diesbezüglich verzichtet und damit die Komplexität des Brennstoffzellensystems reduziert werden kann.Since no harmful exceeding the limit hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is achieved, it is also not necessary to provide an air mass flow for dilution of the cathode output by means of a bypass air path, so that the components such as tubing, flaps and valves omitted in this regard and so that the complexity of the fuel cell system can be reduced.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsform sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 2 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem.
Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiment and with reference to the drawings. Showing:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention, suitable for carrying out the method according to the invention, and
  • 2 a known from the prior art fuel cell system.

In 2 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, in dem protonenleitfähige Membranen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen trennen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind hierfür über eine Anodenzufuhrleitung 2 mit einem Brennstoffspeicher 3 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 4 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden.In 2 is a known from the prior art fuel cell system 1 in which proton-conductive membranes separate the cathodes from the anodes of the fuel cells, it being possible for the anodes to be supplied with fuel (for example hydrogen) via anode chambers. The anode chambers are for this purpose via an anode feed line 2 with a fuel storage 3 connected. Via an anode recirculation line 4 At the anodes unreacted fuel can be fed again to the anode compartments.

Durch die Kathodenräume lässt sich das Kathodengas (z.B. Luft oder Sauerstoff) den Kathoden der Mehrzahl im Brennstoffzellenstapel 5 angeordneten Brennstoffzellen zuführen. Das Kathodengas wird mittels eines Verdichters 6 angesaugt, dann in eine Zufuhrleitung 7 eingebracht und wird im gezeigten Beispiel mittels eines (Rekuperativ)-Wärmetauschers 8 abgekühlt, bevor es zur Befeuchtung einem Kathodengaseinlass 9 eines Befeuchters 10 zugeleitet wird.Through the cathode chambers, the cathode gas (eg air or oxygen) can be the cathode of the majority in the fuel cell stack 5 supply arranged fuel cells. The cathode gas is produced by means of a compressor 6 sucked, then into a supply line 7 introduced and is in the example shown by means of a (recuperative) -Wärmetauschers 8th cooled before moistening a cathode gas inlet 9 a humidifier 10 is forwarded.

Der Befeuchter 10 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass über eine Kathodenzufuhrleitung 11 mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 5 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 10 mit einem kathodenseitigen Einlass 12 mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung 13 verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 10 rückgeführt und dann mittels der Kathodenabgasleitung 14 aus dem Befeuchter 10 abgegeben wird.The humidifier 10 is with its cathode-side outlet via a cathode supply line 11 with the cathode spaces of the fuel cell stack 5 connected. Besides, the humidifier is 10 with a cathode-side inlet 12 with the cathode chambers via a cathode exhaust gas line 13 connected via the unreacted cathode gas or humid cathode exhaust gas to the humidifier 10 recycled and then by means of the cathode exhaust gas line 14 from the humidifier 10 is delivered.

2 zeigt ein dem Stand der Technik zugehöriges Brennstoffzellensystem 1, bei dem von dem Verdichter 6 ein Bypass-Luftpfad 15 über ein regelbares Ventil 16 der Kathodenabgasleitung 14 zugeführt ist, um bei einer mittels eines Sensors festgestellten kritischen Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas dieses durch Öffnen des Ventils 16 mit Kathodengas, insbesondere Luft zu verdünnen. 2 shows a related art fuel cell system 1 in which of the compressor 6 a bypass air path 15 via a controllable valve 16 the cathode exhaust gas line 14 is supplied to at a detected by a sensor critical hydrogen concentration in the cathode exhaust gas by opening the valve 16 with cathodic gas, especially air to dilute.

In der die Erfindung zeigenden 1 ist ersichtlich, dass der Bypass-Luftpfad 15 verzichtbar ist und fehlt. Dies ist ermöglicht durch die erfindungsgemäße Betriebsweise bei einem Froststart.In the invention showing 1 it can be seen that the bypass air path 15 is dispensable and is missing. This is made possible by the operation according to the invention during a frost start.

Beispielsweise kann bei einem im Winter im freien geparkten Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem 1 zunächst das Vorliegen der Voraussetzung eines Froststartes festgestellt werden. Dies kann durch ein dem Brennstoffzellensystem 1 selber zugeordneten Thermometer, dem dem Kraftfahrzeug zugeordneten Thermometer zur Speisen der Außentemperaturanzeige oder einen Dateneingang für Informationen aus einem externen Wetterbericht genutzt werden.For example, in a winter parked outdoors in a motor vehicle with a fuel cell system 1 First, the existence of the prerequisite of a frost start be determined. This can be done by a fuel cell system 1 self-assigned thermometer, the thermometer associated with the motor vehicle for supplying the outside temperature display or a data input for information from an external weather report are used.

Sind die Bedingungen des Froststartes gegeben, erfolgt die Startprozedur mit dem Beginn der Wasserstoffversorgung des Anodenraumes, wobei eine erste Phase initiiert wird mit dem Beginn der Sauerstoffversorgung des Kathodenraumes, in der Regel durch Luftzufuhr aus dem Verdichter 6, im unterstöchiometrischen Verhältnis, um einen Zustand der Sauerstoffverarmung im Kathodenraum zu erzeugen (erste Phase ≙ „Luftverarmung“). Die erste Phase wird beendet, wenn die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas einen Grenzwert erreicht, wobei die Kontrolle der Wasserstoffkonzentration am verlässlichsten durch Einsatz eines Wasserstoffsensors erfolgt. Möglich ist allerdings auch eine bloße Zeiterfassung seit Beginn der ersten Phase, wenn der Aufbau der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas bekannt ist.If the conditions of the frost start are given, the start procedure takes place with the beginning of the hydrogen supply of the anode space, wherein a first phase is initiated with the beginning of the oxygen supply of the cathode space, usually by supplying air from the compressor 6 , in the substoichiometric ratio, to create a state of oxygen depletion in the cathode compartment (first phase ≙ "air depletion"). The first phase is terminated when the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas reaches a limit, whereby the control of the hydrogen concentration is most reliably carried out by using a hydrogen sensor. However, it is also possible a mere time recording since the beginning of the first phase, if the structure of the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is known.

Die zweite Phase wird eingeleitet durch den Beginn der Erhöhung der Sauerstoffversorgung des Kathodenraumes, um so eine Verdünnung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas zu erzielen (zweite Phase ≙ „Wasserstoff-Verdünnung“). Wenn eine ausreichende Verdünnung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas gegeben ist, festgestellt durch den Sensor zur Messung der Wasserstoffkonzentration oder wiederum durch Zeitablauf, erfolgt der Abschluss eines Phasenzyklus durch einen erneuten Phasenwechsel zurück zur ersten Phase. Es werden interative Phasenwechsel durchgeführt, bis mittels einer erzeugten Wärme und/oder anhand der Temperatur festgestellt ist, dass die Voraussetzung des Froststartes nicht mehr gegeben ist. Wenn die Rahmenbedingungen eines Froststartes nicht mehr gegeben sind, wird der interative Phasenwechsel beendet und der Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems kann beginnen.The second phase is initiated by the beginning of the increase in the oxygen supply of the cathode space, so as to achieve a dilution of the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas (second phase ≙ "hydrogen dilution"). If there is sufficient dilution of the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, as determined by the hydrogen concentration measuring sensor, or again by timing, a phase cycle is completed by a phase change back to the first phase. Interactive phase changes are carried out until, by means of a generated heat and / or based on the temperature, it is established that the prerequisite for the frost start is no longer present. If the conditions of a frost start are no longer given, the interactive phase change is terminated and the normal operation of the fuel cell system can begin.

Das bedeutenste Kriterium zum Abbruch der zweiten Phase ist, wenn die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas auf einen Wert zwischen 40% und 95% des Grenzwertes abgesenkt ist und/oder eine Vereisung des Produktwassers an der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 5 droht.The most important criterion for discontinuing the second phase is when the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is lowered to a value between 40% and 95% of the limit and / or icing of the product water at the surface of the fuel cell stack 5 threatening.

Da die Sauerstoffversorgung des Kathodenraumes mittels Luft erfolgt, die durch den Verdichter 6 komprimiert wird, ist zur Versorgung von dessen Energiebedarf eine Batterie erforderlich, die in der zweiten Phase durch die Entladung mittels des Betriebs des Verdichter 6 belastet wird und sich so verstärkt erwärmt. Daher erfolgt in der zweiten Phase ein Betrieb des Verdichters 6 im Bereich von 75 bis 100 % seiner Maximalleistung, um so eine schnelle Verdünnung der erhöhten Wasserstoffkonzentration zu erzielen und eine starke, die Erwärmung der Batterie fördernde Entnahme zu erzwingen. Since the oxygen supply to the cathode compartment is done by means of air passing through the compressor 6 is compressed to supply its energy needs a battery required in the second phase by the discharge by means of the operation of the compressor 6 is charged and thus more heated. Therefore, in the second phase, an operation of the compressor 6 in the range of 75 to 100% of its maximum power, so as to achieve a rapid dilution of the increased hydrogen concentration and to force a strong, the heating of the battery promoting withdrawal.

Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gegeben, dass in einem initialen Phasenzyklus die Höhe der Sauerstoffverarmung so bemessen wird, dass das Brennstoffzellensystem 1 den Bedarf der elektrischen Verbraucher deckt. Auch kann in dem zweiten oder einem späteren Phasenzyklus die Höhe der Sauerstoffverarmung so bemessen werden, dass das Brennstoffzellensystem 1 den Bedarf der elektrischen Verbraucher deckt und zugleich die Batterie zur Versorgung der elektrischen Verbraucher lädt.Variants of the method according to the invention are given by the fact that in an initial phase cycle the amount of oxygen depletion is so dimensioned that the fuel cell system 1 meets the needs of electrical consumers. Also, in the second or a later phase cycle, the amount of oxygen depletion may be such that the fuel cell system 1 covers the needs of the electrical consumers and at the same time loads the battery to supply the electrical consumers.

Das erfindungsgemäße Verfahren für den Froststart eines Brennstoffzellensystem endet, wenn die kumulierte Dauer der ersten Phase und die kumulierte Dauer der zweiten Phase jeweils so lang andauert, dass die Voraussetzung des Froststartes sowie hinsichtlich der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 5 als auch der Temperatur der Batterie nicht mehr gegeben sind, also sichergestellt wird, dass sowohl der Brennstoffzellenstapel 5 als auch die Batterie eine Temperatur erreicht haben, die dem Normalbetrieb entsprechen.The inventive method for the frost start of a fuel cell system ends when the cumulative duration of the first phase and the cumulative duration of the second phase each lasting so long that the condition of the frost start and with respect to the temperature of the fuel cell stack 5 as well as the temperature of the battery are no longer given, so it is ensured that both the fuel cell stack 5 as well as the battery have reached a temperature that correspond to the normal operation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
22
AnodenzufuhrleitungAnode supply line
33
Brennstoffspeicherfuel storage
44
AnodenrezirkulationsleitungAnodenrezirkulationsleitung
55
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
66
Verdichtercompressor
77
Zufuhrleitungsupply line
88th
Wärmetauscherheat exchangers
99
KathodengaseinlassCathode gas inlet
1010
Befeuchterhumidifier
1111
KathodenzufuhrleitungCathode supply line
1212
Einlassinlet
1313
KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
1414
KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
1515
Bypass-LuftpfadBypass air path
1616
VentilValve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012218584 A1 [0004]DE 102012218584 A1 [0004]
  • US 2001/0028967 A1 [0004]US 2001/0028967 A1 [0004]
  • EP 1233468 A2 [0004]EP 1233468 A2 [0004]

Claims (10)

Verfahren für den Froststart eines einen Brennstoffzellenstapels (5) aufweisenden Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte: - Feststellung des Vorliegens der Voraussetzung eines Froststartes anhand der Temperatur, - Beginn der Wasserstoffversorgung des Anodenraumes, - Initiieren von einer ersten Phase mit dem Beginn der Sauerstoffversorgung eines Kathodenraumes des Brennstoffzellenstapels (5) im unterstöchiometrischen Verhältnis mit dem Zustand der Sauerstoffverarmung und Beenden der ersten Phase, wenn eine Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas einen Grenzwert erreicht, - Beginn einer zweiten Phase mit der Erhöhung der Sauerstoffversorgung des Kathodenraumes zur Verdünnung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas, und - iterativer Phasenwechsel bis mittels der erzeugten Wärme und/oder anhand der Temperatur festgestellt ist, dass die Voraussetzung des Froststartes nicht mehr gegeben ist, - Beenden des Phasenwechsels und Beginn des Normalbetriebs.Method for the frost start of a fuel cell system (1) having a fuel cell stack (5), comprising the steps: Determination of the existence of the condition of a frost start on the basis of the temperature, - start of the hydrogen supply of the anode compartment, Initiating a first phase with the beginning of the oxygen supply of a cathode space of the fuel cell stack (5) in the substoichiometric ratio with the state of oxygen depletion and ending the first phase when a hydrogen concentration in the cathode exhaust gas reaches a limit, - Beginning of a second phase with the increase of the oxygen supply of the cathode space for dilution of the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, and iterative phase change is determined by means of the heat generated and / or based on the temperature that the prerequisite of the frost start is no longer given, - End of the phase change and start of normal operation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffsensor zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas verwendet wird.Method according to Claim 1 , characterized in that a hydrogen sensor for determining the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase beendet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas auf einen Wert zwischen 40 % und 95 % des Grenzwertes abgesenkt ist und/oder eine Vereisung des Produktwassers an der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels (5) droht.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the second phase is terminated when the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is lowered to a value between 40% and 95% of the limit and / or icing of the product water at the surface of the fuel cell stack (5) threatens. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffversorgung mittels Luft erfolgt, die durch einen Verdichter (6) komprimiert wird, dessen Energiebedarf durch eine Batterie gedeckt wird.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the oxygen supply takes place by means of air, which is compressed by a compressor (6) whose energy requirement is covered by a battery. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase der Verdichter (6) im Bereich von 75% bis 100% seiner Maximalleistung betrieben wird.Method according to Claim 4 , characterized in that in the second phase of the compressor (6) is operated in the range of 75% to 100% of its maximum power. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im initialen Phasenzyklus die Höhe der Sauerstoffverarmung so bemessen wird, dass das Brennstoffzellensystem (1) den Bedarf der elektrischen Verbraucher deckt.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that in the initial phase cycle, the amount of oxygen depletion is such that the fuel cell system (1) covers the needs of the electrical consumers. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten oder einem späteren Phasenzyklus die Höhe der Sauerstoffverarmung so bemessen wird, dass das Brennstoffzellensystem (1) den Bedarf der elektrischen Verbraucher deckt und die Batterie zur Versorgung der elektrischen Verbraucher lädt.Method according to Claim 6 , characterized in that in the second or a later phase cycle, the amount of oxygen depletion is such that the fuel cell system (1) covers the needs of the electrical loads and charges the battery to supply the electrical loads. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmender Erwärmung des Brennstoffzellenstapels (5) die Dauer der Phase 1 verkürzt wird.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that with increasing heating of the fuel cell stack (5) the duration of the phase 1 is shortened. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kumulierte Dauer der ersten Phase und der zweiten Phase jeweils so bemessen ist, dass die Voraussetzungen des Froststartes sowohl hinsichtlich der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (5) als auch hinsichtlich der Temperatur der Batterie nicht mehr gegeben sind.Method according to one of Claims 4 to 8th , characterized in that the cumulative duration of the first phase and the second phase is in each case dimensioned such that the prerequisites of the frost start, both in terms of the temperature of the fuel cell stack (5) and in terms of the temperature of the battery are no longer given. Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der den Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffversorgungssystem im Hinblick auf die Wasserstoffverdünnung bypassfrei ausgeführt ist.Fuel cell system (1) for carrying out the method according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the oxygen supply system is designed bypass-free with regard to the hydrogen dilution.
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