DE102018209431A1 - Method for switching off a fuel cell device and fuel cell device for carrying out the method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dessen Kathodenräume mit einem Kathodengas über eine Kathodenzuluftleitung (12) versorgt werden, in der ein Befeuchter (5) angeordnet ist und die durch einen Verdichter (3) mit dem Kathodengas gespeist wird. Die Temperatur des Kathodengases wird am Eingang des Verdichters (3) mittels eines Sensors (6) gemessen, wobei der Messwert einer Regelung (7) übergeben wird, die den Verdichter (3) veranlasst, einen Kathodengasmassenstrom zu fördern, der so bemessen ist, dass nach dem Verdichter (3) eine Grenztemperatur nicht überschritten wird, und wobei mittels eines Bypass-Schaltglieds (8) das Kathodengas durch einen Bypass (9) um den Befeuchter (5) herum zu den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels (2) geführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for switching off a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2), the cathode spaces of which are supplied with a cathode gas via a cathode supply line (12), in which a humidifier (5) is arranged and which is supplied by a compressor (3). is fed with the cathode gas. The temperature of the cathode gas is measured at the inlet of the compressor (3) by means of a sensor (6), the measured value being transferred to a controller (7) which causes the compressor (3) to deliver a cathode gas mass flow which is dimensioned such that after the compressor (3) a limit temperature is not exceeded, and the cathode gas being guided by means of a bypass switching element (8) through a bypass (9) around the humidifier (5) to the cathode spaces of the fuel cell stack (2). The invention further relates to a fuel cell device for performing the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, dessen Kathodenräume mit einem Kathodengas über eine Kathodenzuluftleitung versorgt werden, in der ein Befeuchter angeordnet ist und die durch einen Verdichter mit dem Kathodengas gespeist wird. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for switching off a fuel cell device with a fuel cell stack, the cathode spaces of which are supplied with a cathode gas via a cathode supply line, in which a humidifier is arranged and which is supplied with the cathode gas by a compressor. The invention further relates to a fuel cell device for performing the method.

Brennstoffzellenvorrichtungen weisen in der Regel aufgrund der Höhe der erforderlichen Leistungsabgabe eine Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Brennstoffzellen auf, bei denen auf einer ersten Seite einer semipermeablen Membran eine erste Elektrode, nämlich die Anode, und auf einer zweiten Seite eine zweite Elektrode, nämlich die Kathode angeordnet ist. Der Anode wird Brennstoff, in der Regel Wasserstoff zugeführt, während an die Kathode Sauerstoff mittels eines sauerstoffhaltigen Gases, in der Regel Luft, geleitet wird. Aufgrund der Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ist es erforderlich, relativ große Luftmengen den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Deshalb wird ein Verdichter eingesetzt, der die Umgebungsluft ansaugt und komprimiert, wobei bei der isentropen Verdichtung in dem Verdichter eine deutliche Temperaturerhöhung des Kathodengases erfolgt, so dass dieses eine hohe Speicherkapazität für Wasserdampf besitzt und im Ergebnis eine relativ geringe Luftfeuchtigkeit.Due to the amount of power required, fuel cell devices generally have a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, in which a first electrode, namely the anode, on a first side of a semipermeable membrane, and a second electrode, namely the cathode, on a second side is arranged. Fuel, usually hydrogen, is fed to the anode, while oxygen is fed to the cathode by means of an oxygen-containing gas, usually air. Due to the large number of fuel cells combined in a fuel cell stack, it is necessary to supply relatively large amounts of air to the cathode compartments of the fuel cell stack. A compressor is therefore used which draws in and compresses the ambient air, with isentropic compression in the compressor resulting in a significant increase in the temperature of the cathode gas, so that it has a high storage capacity for water vapor and, as a result, a relatively low atmospheric humidity.

Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die Membran zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der Membran erforderlich. Deshalb wird der Brennstoff und/oder das Kathodengas befeuchtet, bevor sie dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, um eine Feuchtigkeitssättigung der Membran herbeizuführen. Außerdem wird der Brennstoffzellenstapel im Betrieb warm, so dass eine Kühlung erforderlich ist. Diese Kühlung kann über die Temperatur der Reaktanten, insbesondere über das Kathodengas erfolgen, so dass in der Kathodenzuluftleitung stromab des Verdichters zur Konditionierung des Kathodengases ein Befeuchter und gegebenenfalls ein Ladeluftkühler angeordnet sind.In order to ensure ionic conductivity for hydrogen protons through the membrane, the presence of water molecules in the membrane is necessary. Therefore, the fuel and / or the cathode gas is humidified before they are supplied to the fuel cell stack in order to bring about moisture saturation of the membrane. In addition, the fuel cell stack becomes warm during operation, so that cooling is necessary. This cooling can take place via the temperature of the reactants, in particular via the cathode gas, so that a humidifier and optionally a charge air cooler are arranged in the cathode supply air line downstream of the compressor for conditioning the cathode gas.

Mit einem derartigen Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung ist in bekannter Weise deren Betrieb möglich, wobei jedoch zu beachten ist, dass beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung gewünscht ist, den Brennstoffzellenstapel zu trocknen und insbesondere das Flüssigwasser auszutreiben, wozu bei Bedarf durch den Verdichter länger Kathodengas über die Kathodenzuluftleitung in die Kathodenräume eingebracht wird. Nachteilig ist dabei, dass die Reduktion von Flüssigwasser bzw. relativer Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels nur langsam erfolgt und damit die Prozedur zum vollständigen Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung sehr lange dauern kann.With such a construction of a fuel cell device, its operation is possible in a known manner, but it should be noted that when the fuel cell device is switched off, it is desirable to dry the fuel cell stack and, in particular, to expel the liquid water, for which purpose longer cathode gas via the cathode supply line in the compressor if required the cathode spaces is introduced. The disadvantage here is that the reduction of liquid water or relative humidity within the fuel cell stack takes place only slowly and therefore the procedure for completely switching off the fuel cell device can take a very long time.

In der DE 10 2009 043 569 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart, bei dem während einer Abschaltprozedur die Luftfördereinrichtung benutzt wird, um den Brennstoffzellenstapel, wie vorstehend bereits dargelegt, zu spülen. Dabei besteht die Möglichkeit, dass über eine Ventileinrichtung ein sogenanntes System-Bypassventil genutzt wird, um eine Verbindung zwischen der Luftfördereinrichtung und der Abluft vor dem Erreichen der Turbine zum Antreiben des Verdichters herzustellen. Ein großer Teil der Luft wird also über das System-Bypassventil direkt von der Luftfördereinrichtung in den Bereich der Turbine geführt, so dass diese den Brennstoffzellenstapel nicht mehr passiert und damit nicht zur Vorbereitung des Brennstoffzellenstapel für das Abschalten genutzt werden kann. In the DE 10 2009 043 569 A1 discloses a method of operating a fuel cell system in which, during a shutdown procedure, the air delivery device is used to flush the fuel cell stack, as already explained above. There is the possibility that a so-called system bypass valve is used via a valve device to establish a connection between the air delivery device and the exhaust air before reaching the turbine for driving the compressor. A large part of the air is therefore led directly from the air delivery device into the area of the turbine via the system bypass valve, so that it no longer passes the fuel cell stack and therefore cannot be used to prepare the fuel cell stack for switching off.

Die DE 10 2009 009 675 A1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung, bei der der in der Kathodenzuluftleitung angeordnete Befeuchter durch eine Bypassleitung umgangen werden kann. Bevor die Zuluft in den Kathodenbereich der Brennstoffzelle eintritt, vermischt sich diese über die Bypassleitung geführte Zuluft wieder mit der durch den Befeuchter geführten Zuluft, um so die Feuchte der in den Kathodenbereich einströmenden Zuluft entsprechend einzustellen.The DE 10 2009 009 675 A1 shows a fuel cell device in which the humidifier arranged in the cathode supply line can be bypassed by a bypass line. Before the supply air enters the cathode area of the fuel cell, it mixes again with the supply air led through the bypass line with the supply air led through the humidifier, so that the humidity of the supply air flowing into the cathode area is adjusted accordingly.

Die DE 10 2014 005 127 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung, bei der von einem Kathodenausgang eine Kathodenrezirkulationsleitung den Kathodenausgang mit dem Kathodeneingang verbindet. Innerhalb dieser Kathodenrezirkulationsleitung ist ein Rezirkulationsgebläse angeordnet. Als Vorteil dafür ist angegeben, dass hierdurch auch Feuchtigkeit mit zurückgefördert werden kann, so dass aufwändige Aufbauten zur Befeuchtung gänzlich vermieden werden können. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems wird die Luftfördereinrichtung abgestellt, um die Versorgung des Kathodenraums mit frischer Luft und damit frischem Sauerstoff zu unterbrechen. Bei weiterhin erfolgender Dosierung von Wasserstoff im Anodenraum der Brennstoffzelle kann nun der über das weiterhin betriebene Rezirkulationsgebläse umgewälzte Restluftstrom in der Kathodenrezirkulationsleitung und dem Kathodenraum an Sauerstoff abgereichert werden.The DE 10 2014 005 127 A1 discloses a fuel cell device in which a cathode recirculation line connects the cathode outlet to the cathode inlet from a cathode outlet. A recirculation blower is arranged within this cathode recirculation line. It is stated as an advantage that moisture can also be conveyed back with it, so that complex structures for moistening can be completely avoided. When the fuel cell system is switched off, the air delivery device is switched off in order to interrupt the supply of fresh air and thus fresh oxygen to the cathode compartment. If hydrogen continues to be metered in the anode compartment of the fuel cell, the residual air flow in the cathode recirculation line and the cathode compartment, which is circulated via the recirculation blower which is still in operation, can now be depleted of oxygen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Dauer des Abstellvorganges verkürzt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of developing a method of the type mentioned in such a way that the duration of the shutdown process can be shortened. Object of the invention is to provide a fuel cell device for performing the method.

Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgaben wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, der die Brennstoffzellenvorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird durch den Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The part of the task relating to the method is achieved with the features of claim 1, the part of the task relating to the fuel cell device is achieved by claim 9. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Durch das Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass eine präzise Kontrolle der Temperaturerhöhung des Kathodengases durch den Verdichter erfolgt, so dass eine Grenztemperatur des Kathodengases nicht überschritten wird, nachfolgend nach dem Verdichter eine Konditionierung des Kathodengases entbehrlich ist und dieses Kathodengas unmittelbar dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann, um so möglichst schnell das Flüssigwasser auszutreiben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass eine Anreicherung des Kathodengases mit zusätzlicher Feuchtigkeit durch den Befeuchter unterbleibt, so dass das zugeführte Kathodengas die im Brennstoffzellenstapel enthaltene Feuchtigkeit bis zum Erreichen seiner maximalen relativen Luftfeuchtigkeit, also bis zur Sättigung, aufnehmen kann.The advantage of the method is that the temperature increase of the cathode gas is precisely controlled by the compressor, so that a limit temperature of the cathode gas is not exceeded, subsequently conditioning of the cathode gas is unnecessary after the compressor and this cathode gas can be fed directly to the fuel cell stack to drive out the liquid water as quickly as possible. The method according to the invention ensures that the humidifier does not enrich the cathode gas with additional moisture, so that the supplied cathode gas can absorb the moisture contained in the fuel cell stack until it reaches its maximum relative atmospheric humidity, that is, up to saturation.

Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn in der Kathodenzuluftleitung stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet ist, und dass das Kathodengas in dem Bypass auch um den Ladeluftkühler geführt wird. Der Ladeluftkühler, der häufig gemeinsam mit dem Befeuchtet in der Kathodenzuluftleitung angeordnet ist, ist zum Zwecke des Abschaltvorganges entbehrlich, weil durch das erfindungsgemäße Verfahren gezielt die Grenztemperatur eingestellt werden kann, die so gewählt werden kann, dass eine Kühlung in dem Ladeluftkühler zur Vermeidung einer Schädigung des Brennstoffzellenstapels entbehrlich ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird damit ein variabel einstellbarer, trockener, warmer Luftmassenstrom oberhalb der Kühlmitteltemperatur bereitgestellt, um eine robuste und schnelle Trocknung des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen.It is also expedient if a charge air cooler is arranged in the cathode supply air line downstream of the compressor, and that the cathode gas is also conducted in the bypass around the charge air cooler. The charge air cooler, which is often arranged together with the humidified in the cathode supply line, is unnecessary for the purpose of the shutdown process, because the process according to the invention can be used to set the limit temperature in a targeted manner, which can be selected so that cooling in the charge air cooler to avoid damage the fuel cell stack is unnecessary. The method according to the invention thus provides a variably adjustable, dry, warm air mass flow above the coolant temperature in order to ensure robust and rapid drying of the fuel cell stack.

Vorteilhaft ist dabei weiterhin, wenn in einer mit den Kathodenräumen verbundenen Kathodengasabluftleitung ein Druckregelventil angeordnet ist, das mittels der Regelung zur Rezirkulation des Kathodenabgases in die Kathodenzuluftleitung stromab von dem Verdichter genutzt werden kann. Dies erweitert den Spielraum für die Regelung zur Temperatur- und Luftmassenstromeinstellung.It is furthermore advantageous if a pressure control valve is arranged in a cathode gas exhaust line connected to the cathode spaces and can be used downstream of the compressor by means of the control system for recirculating the cathode exhaust gas into the cathode supply line. This extends the scope for the regulation of temperature and air mass flow setting.

Im Rahmen des Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, dass ein modell- oder erfahrungsbasierter Erwartungswert der Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels und/oder ein durch eine Messung erfasster Messwert der Regelung zugeführt wird zur Anpassung der Grenztemperatur und/oder des Kathodengasmassenstroms.Within the scope of the method, it is further provided that a model or experience-based expected value of the moisture within the fuel cell stack and / or a measured value acquired by a measurement is fed to the control system in order to adapt the limit temperature and / or the cathode gas mass flow.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass mittels eines Stapelthermometers die Stapeltemperatur gemessen und der Messwert der Regelung zugeführt wird zur Anpassung der Grenztemperatur und/oder des Kathodengasmassenstromes. Der Regelung stehen damit zusätzliche Parameter zur Verfügung, die für eine Optimierung des Abstellvorganges genutzt werden können mit dem Ziel, diesen möglichst schnell beenden zu können.There is also the possibility that the stack temperature is measured by means of a stack thermometer and the measured value is fed to the control system to adapt the limit temperature and / or the cathode gas mass flow. The control is thus provided with additional parameters that can be used to optimize the shutdown process with the aim of being able to end it as quickly as possible.

Diesem Ziel dient auch, dass der Messwert des Feuchtesensors und/oder der Messwert des Stapelthermometers genutzt wird, um mittels der Regelung das Druckregelventil zu betätigen.This goal also serves to use the measured value of the moisture sensor and / or the measured value of the stacking thermometer in order to actuate the pressure regulating valve by means of the control.

Ganz besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es, dass ein Steuergerät genutzt wird, um mittels eines Triggersignals das Bypass-Schaltglied zu betätigen und die Regelung zu aktivieren, wenn das Ende der Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht wird.It is very particularly preferred in the context of the invention that a control device is used to actuate the bypass switching element by means of a trigger signal and to activate the control when the end of the operating time of the fuel cell device is reached.

Bei einer in einem Kraftfahrzeug angeordneten Brennstoffzellenvorrichtung, wobei dem Kraftfahrzeug ein ein Ortungssignal auswertendes Navigationssystem zugeordnet ist, besteht desweiteren die Möglichkeit, dass bei Annäherung an das Fahrziel das Steuergerät das Triggersignal aussendet. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, dass die Abschaltprozedur schon frühzeitig und während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung gestartet werden kann, so dass nach Erreichen des Fahrziels die Dauer bis zum endgültigen Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung einschließlich des Verdichters zum Trocknen des Brennstoffzellenstapels weiter verkürzt ist.In the case of a fuel cell device arranged in a motor vehicle, the navigation system evaluating a location signal being assigned to the motor vehicle, there is furthermore the possibility that the control unit emits the trigger signal when the vehicle is approaching the destination. This creates the possibility that the switch-off procedure can be started early and during the operation of the fuel cell device, so that after reaching the destination, the time until the fuel cell device including the compressor is finally switched off to dry the fuel cell stack is further reduced.

Die Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Kathodenzuluftleitung stromab des Verdichters ein Bypass mit einem Bypass-Schaltglied zu Umgehung des Befeuchters zugeordnet ist, wobei stromauf des Verdichters ein Sensor zur Erfassung der Temperatur des Kathodengases angeordnet ist, und wobei eine Regelung zur Einstellung einer Grenztemperatur des verdichteten Kathodengases nach dem Verdichter anhand von Daten des Sensors mittels des Kathodengasmassenstromes vorgesehen ist. Diese Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich durch die Einfachheit ihres Aufbaus aus, bei der im wesentlich nur die zusätzliche Bypassleitung mit dem Bypass-Schaltglied, der Temperatursensor sowie eine Regelung erforderlich ist, um ausgehend von der Temperatur des Kathodengases stromauf des Verdichters über den Kathodengasmassenstrom die Grenztemperatur einzustellen.The fuel cell device for carrying out the method according to the invention is characterized in that a bypass with a bypass switching element for bypassing the humidifier is associated with the cathode supply air line downstream of the compressor, a sensor for detecting the temperature of the cathode gas being arranged upstream of the compressor, and one Regulation for setting a limit temperature of the compressed cathode gas after the compressor is provided on the basis of data from the sensor by means of the cathode gas mass flow. This fuel cell device is characterized by the simplicity of its construction, in which essentially only the additional bypass line with the bypass switching element, the temperature sensor and a control system are required in order to set the limit temperature based on the temperature of the cathode gas upstream of the compressor via the cathode gas mass flow.

Vorteilhaft ist dabei, wenn in der Kathodengasabluftleitung ein Druckregelventil angeordnet ist, das mittels der Regelung betätigbar ist zur Rezirkulation des Kathodenabgases in die Kathodenzuluftleitung stromab von dem Verdichter, so dass der Kathodengasmassenstrom stromab des Verdichters erhöht werden kann, ohne die Grenztemperatur zu überschreiten. It is advantageous if a pressure control valve is arranged in the cathode gas exhaust line, which can be actuated by means of the control for recirculation of the cathode exhaust gas into the cathode supply air line downstream of the compressor, so that the cathode gas mass flow can be increased downstream of the compressor without exceeding the limit temperature.

Weitere Vorteile, Merkmalen und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den kathodenseitig vorgesehenen Bauteilen, und
  • 2 eine Darstellung der zeitabhängigen Regelung der Temperatur vor dem Brennstoffzellenstapel durch den Verdichter, den Bypass und das Druckregelventil.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. Show:
  • 1 a highly simplified schematic representation of a fuel cell device with the components provided on the cathode, and
  • 2 a representation of the time-dependent control of the temperature upstream of the fuel cell stack by the compressor, the bypass and the pressure control valve.

In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Einrichtung zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.In the 1 is from a fuel cell device 1 the part required to explain the invention is shown, the fuel cell device 1 a device for cooling and / or moisture regulation of a plurality of in a fuel cell stack 2 summarized fuel cells.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane that separates the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can additionally be admixed to the anodes and / or the cathodes, the membrane preferably being coated on its first side and / or on its second side with a catalyst layer composed of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.Fuel (eg hydrogen) can be supplied to the anode via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). As the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2+4H++4e- →2H2O (Reduktion/E lektronenaufnahm e).The cathode gas (for example air or oxygen-containing air) can be supplied to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron absorption).

Um eine lonenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die Membran zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der Membran erforderlich. Deshalb wird der Brennstoff und/oder das Kathodengas befeuchtet, bevor sie der Brennstoffzelle zugeführt werden, um eine Feuchtigkeitssättigung der Membran herbeizuführen. Außerdem wird die Brennstoffzelle im Betrieb warm, so dass eine Kühlung der Brennstoffzelle erforderlich ist. Diese Kühlung kann über die Temperatur der Reaktanten erfolgen.In order to ensure ionic conductivity for hydrogen protons through the membrane, the presence of water molecules in the membrane is necessary. Therefore, the fuel and / or the cathode gas is humidified before they are supplied to the fuel cell in order to bring about moisture saturation of the membrane. In addition, the fuel cell becomes warm during operation, so that cooling of the fuel cell is required. This cooling can take place via the temperature of the reactants.

Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler 4 sowie einem Befeuchter 5.Because in the fuel cell stack 2 If a plurality of fuel cells are combined, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that a large cathode gas mass flow is made available by a compressor, the temperature of which increases sharply as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas, ie its setting with regard to the parameters desired in the fuel cell stack, is carried out in a charge air cooler 4 and a humidifier 5 ,

Nach dem Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist es allerdings wünschenswert, dass der Brennstoffzellenstapel 2 getrocknet wird; daher wird bei dem Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 die Temperatur des Kathodengases am Eingang des Verdichters 3 mittels eines Sensors 6 gemessen, wobei der Messwert einer Regelung 7 übergeben wird, die den Verdichter 3 veranlasst, einen Kathodengasmassenstrom zu fördern, der so bemessen ist, dass nach dem Verdichter 3 unter Berücksichtigung der Gesetzmäßigkeit hinsichtlich der Temperaturerhöhung bei der isentropen Verdichtung eine Grenztemperatur nicht überschritten wird, und wobei mittels eines Bypass-Schaltglieds 8 das Kathodengas durch einen Bypass 9 um den Befeuchter 5 und den Ladeluftkühler 6 herum zu den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 2 geführt wird.After turning off a fuel cell device 1 however, it is desirable that the fuel cell stack 2 is dried; therefore, the method of turning off a fuel cell device 1 the temperature of the cathode gas at the inlet of the compressor 3 by means of a sensor 6 measured, the measured value of a regulation 7 which is passed to the compressor 3 caused to promote a cathode gas mass flow, which is dimensioned so that after the compressor 3 taking into account the law regarding the temperature increase in isentropic compression, a limit temperature is not exceeded, and by means of a bypass switching element 8th the cathode gas through a bypass 9 around the humidifier 5 and the intercooler 6 around to the cathode compartments of the fuel cell stack 2 to be led.

Desweiteren ist in einer mit den Kathodenräumen ebenfalls verbundenen Kathodengasabluftleitung 10 ein Druckregelventil 11 angeordnet, dass über Steuerleitungen 13 mittels der Regelung 7 zur Rezirkulation des Kathodenabgases in die Kathodenzuluftleitung 12 stromab von dem Verdichter 3 genutzt werden kann. Als weiterer Parameter für die Regelung 7 zur Anpassung der Grenztemperatur und/oder des Kathodengasmassenstromes können modell- oder erfahrungsbasierte Erwartungswerte der Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt oder ergänzt bzw. alternativ Messwerte genutzt werden, die innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 gemessen werden. Neben einer Anpassung des Kathodengasmassenstromes ist dabei auch eine Einflussnahme auf das Druckregelventil 11 und einen Systembypass 14 durch die Regelung 7 möglich.Furthermore, is in a cathode gas exhaust line also connected to the cathode spaces 10 a pressure control valve 11 arranged that over control lines 13 by means of the scheme 7 for recirculation of the cathode exhaust gas into the cathode supply line 12 downstream of the compressor 3 can be used. As another parameter for the control 7 To adjust the limit temperature and / or the cathode gas mass flow, model-based or experience-based expected values of the moisture within the fuel cell stack can be used 2 used or supplemented or alternatively used measured values that are within the fuel cell stack 2 be measured. In addition to an adaptation of the cathode gas mass flow, there is also an influence on the pressure control valve 11 and a system bypass 14 through the scheme 7 possible.

Die Regelung 7 zum Start des Verfahrens zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung wird mittels eines von einem Steuergerät gegebenen Triggersignals aktiviert, wenn das Ende der Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erreicht wird, wobei diesbezügliche Informationen gegeben sein können durch eine vorherbestimmte Dauer des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung, der Menge der produzierten elektrischen Energie oder, insbesondere wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einem Kraftfahrzeug zugeordnet ist, in dem ein ein Ortungssignal auswertendes Navigationssystem zur Verfügung steht, durch die Annäherung an das Fahrtziel.The regulation 7 to start the method for switching off a fuel cell device is activated by means of a trigger signal given by a control unit when the end of the operating time of the fuel cell device 1 is achieved, in which respect information can be given by a predetermined duration of operation of the fuel cell device, the amount of electrical energy produced or, in particular if the fuel cell device 1 is assigned to a motor vehicle, in which a navigation system evaluating a location signal is available, by approaching the destination.

Die 2 zeigt in ihrem oberen Bereich, wie infolge der Regelung 7 die mit durchgezogener Linie dargestellte Temperatur (T in Grad Celsius [°C]) nach dem Verdichter 3, also die Grenztemperatur konstant gehalten wird, auch wenn die gestrichelt dargestellte Temperatur des dem Verdichter 3 zugeführten Kathodengases über die Dauer des Abschaltvorganges ansteigt. Die Funktionen der mittleren Darstellung geben den Massenstrom (qm in Kilogramm pro Sekunde [kg/s]) durch den Brennstoffzellenstapel 2 an, während die Funktionen der unteren Darstellung durchgezogen die Position des Druckregelventils 11 gestrichelt bzw. des Bypass-Schaltgliedes 8 zeigen zur Veranschaulichung von deren Beiträgen zu dem Kathodengasmassenstrom.The 2 shows in its upper area, as a result of the regulation 7 the temperature shown by the solid line (T in degrees Celsius [° C]) after the compressor 3 , that is, the limit temperature is kept constant, even if the temperature of the compressor shown in dashed lines 3 supplied cathode gas increases over the duration of the shutdown process. The functions of the middle representation give the mass flow ( q m in kilograms per second [kg / s]) through the fuel cell stack 2 on, while the functions of the lower illustration solid the position of the pressure control valve 11 dashed or the bypass switching element 8th show to illustrate their contributions to the cathode gas mass flow.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
Verdichtercompressor
44
LadeluftkühlerIntercooler
55
Befeuchterhumidifier
66
Sensorsensor
77
Regelungregulation
88th
Bypass-SchaltgliedBypass switching element
99
Bypassbypass
1010
KathodengasabluftleitungCathode gas exhaust duct
1111
DruckregelventilPressure control valve
1212
Kathodenzuluftleitungcathode feed
1313
Steuerleitungcontrol line
1414
System bypassSystem bypass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102009043569 A1 [0005]DE 102009043569 A1 [0005]
  • DE 102009009675 A1 [0006]DE 102009009675 A1 [0006]
  • DE 102014005127 A1 [0007]DE 102014005127 A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dessen Kathodenräume mit einem Kathodengas über eine Kathodenzuluftleitung (12) versorgt werden, in der ein Befeuchter (5) angeordnet ist und die durch einen Verdichter (3) mit dem Kathodengas gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kathodengases am Eingang des Verdichters (3) mittels eines Sensors (6) gemessen wird, dass der Messwert einer Regelung (7) übergeben wird, die den Verdichter (3) veranlasst, einen Kathodengasmassenstrom zu fördern, der so bemessen ist, dass nach dem Verdichter (3) eine Grenztemperatur nicht überschritten wird, und dass mittels eines Bypass-Schaltglieds (8) das Kathodengas durch einen Bypass (9) um den Befeuchter (5) herum zu den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels (2) geführt wird.Method for switching off a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2), the cathode spaces of which are supplied with a cathode gas via a cathode supply line (12) in which a humidifier (5) is arranged and which is supplied with the cathode gas by a compressor (3) characterized in that the temperature of the cathode gas at the inlet of the compressor (3) is measured by means of a sensor (6), that the measured value is transferred to a controller (7) which causes the compressor (3) to deliver a cathode gas mass flow, which is dimensioned such that a limit temperature is not exceeded after the compressor (3), and that by means of a bypass switching element (8) the cathode gas through a bypass (9) around the humidifier (5) to the cathode spaces of the fuel cell stack (2 ) to be led. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenzuluftleitung (12) stromab des Verdichters (3) ein Ladeluftkühler (4) angeordnet ist, und dass das Kathodengas in dem Bypass (9) auch um den Ladeluftkühler (4) geführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a charge air cooler (4) is arranged in the cathode supply air line (12) downstream of the compressor (3), and that the cathode gas in the bypass (9) is also conducted around the charge air cooler (4). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer mit den Kathodenräumen verbundenen Kathodengasabluftleitung (10) ein Druckregelventil (11) angeordnet ist, das mittels der Regelung (7) zur Rezirkulation des Kathodenabgases in die Kathodenzuluftleitung (12) stromab von dem Verdichter (3) genutzt werden kann.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a pressure control valve (11) is arranged in a cathode gas exhaust line (10) connected to the cathode spaces and can be used by means of the control (7) to recirculate the cathode exhaust gas into the cathode supply line (12) downstream of the compressor (3) , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein modell- oder erfahrungsbasierter Erwartungswert der Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels (2) und/oder ein durch eine Messung erfasster Messwert der Regelung (7) zugeführt wird zur Anpassung der Grenztemperatur und/oder des Kathodengasmassenstroms.Procedure according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that a model or experience-based expected value of the moisture within the fuel cell stack (2) and / or a measured value acquired by a measurement is fed to the control system (7) for adapting the limit temperature and / or the cathode gas mass flow. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Stapelthermometers die Stapeltemperatur gemessen und der Messwert der Regelung (7) zugeführt wird zur Anpassung der Grenztemperatur und/oder des Kathodengasmassenstromes.Procedure according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the stack temperature is measured by means of a stack thermometer and the measured value is fed to the control (7) to adapt the limit temperature and / or the cathode gas mass flow. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert des Feuchtesensors und/oder der Messwert des Stapelthermometers genutzt wird, um mittels der Regelung (7) das Druckregelventil (11) zu betätigen.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the measured value of the moisture sensor and / or the measured value of the stacking thermometer is used to actuate the pressure regulating valve (11) by means of the regulator (7). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät genutzt wird, um mittels eines Triggersignals das Bypass-Schaltglied (8) zu betätigen und die Regelung (7) zu aktivieren, wenn das Ende der Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung (1) erreicht wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that a control device is used to actuate the bypass switching element (8) by means of a trigger signal and to activate the control (7) when the end of the operating time of the fuel cell device (1) is reached. Verfahren nach Anspruch 7 bei einer in einem Kraftfahrzeug angeordneten Brennstoffzellenvorrichtung (1), mit einem dem Kraftfahrzeug zugeordneten, ein Ortungssignal auswertenden Navigationssystem, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annäherung an das Fahrtziel das Steuergerät das Triggersignal aussendet.Procedure according to Claim 7 In the case of a fuel cell device (1) arranged in a motor vehicle, with a navigation system which is assigned to the motor vehicle and evaluates a location signal, characterized in that when the vehicle approaches the destination, the control unit emits the trigger signal. Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuluftleitung (12) stromab des Verdichters (3) ein Bypass (9) mit einem Bypass-Schaltglied (8) zur Umgehung des Befeuchters (5) zugeordnet ist, dass stromauf des Verdichters (3) ein Sensor (6) zur Erfassung der Temperatur des Kathodengases angeordnet ist, und dass eine Regelung (7) zur Einstellung einer Grenztemperatur des verdichteten Kathodengases nach dem Verdichter (3) anhand der Sensordaten des Sensors (6) mittels des Kathodengasmassenstromes vorgesehen ist.Fuel cell device for performing the method according to Claim 1 , characterized in that a bypass (9) with a bypass switching element (8) for bypassing the humidifier (5) is assigned to the cathode supply line (12) downstream of the compressor (3), that a sensor (6 ) is arranged for detecting the temperature of the cathode gas, and that a control (7) for setting a limit temperature of the compressed cathode gas after the compressor (3) is provided on the basis of the sensor data of the sensor (6) by means of the cathode gas mass flow. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kathodengasabluftleitung (10) ein Druckregelventil (11) angeordnet ist, das mittels der Regelung (7) betätigbar ist zur Rezirkulation des Kathodenabgases in die Kathodenzuluftleitung (12) stromab von dem Verdichter (3).Fuel cell device after Claim 9 , characterized in that a pressure control valve (11) is arranged in a cathode gas exhaust line (10) and can be actuated by means of the control (7) to recirculate the cathode exhaust gas into the cathode supply line (12) downstream of the compressor (3).
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