DE102018218340A1 - Method for switching off a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

Method for switching off a fuel cell system and fuel cell system Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Abschalten eines einen Brennstoffzellenstapel (130) aufweisenden Brennstoffzellensystems (100), das einen mindestens ein Heizelement (112) aufweisenden Befeuchter (102) umfasst, der einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass (104) für ein feuchtes Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass (106) für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass (108) für befeuchtetes Kathodengas, einen Kathodenabgasauslass (110) für Kathodenabgas sowie eine Flüssigkeitszufuhr (144) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:- Trocknen des Brennstoffzellenstapels (130) auf ein vordefiniertes Feuchteniveau, und- Einstellen einer Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters (102) auf einen vordefinierten Wert oder auf eine Menge innerhalb eines vorgebbaren Werteintervalls um den vordefinierten Wert über die Flüssigkeitszufuhr (144).Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (100).Method for switching off a fuel cell system (100) having a fuel cell stack (130), which comprises a humidifier (102) having at least one heating element (112), which has a stack-side cathode exhaust gas inlet (104) for a moist cathode exhaust gas, a compressor-side cathode gas inlet (106) for dry one Cathode gas, a stack-side cathode gas outlet (108) for humidified cathode gas, a cathode exhaust gas outlet (110) for cathode exhaust gas and a liquid supply (144), characterized by the steps: - drying the fuel cell stack (130) to a predefined moisture level, and - adjusting a liquid quantity within of the humidifier (102) to a predefined value or to an amount within a predeterminable value interval by the predefined value via the liquid supply (144). The invention also relates to a fuel cell system (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten und vorzugsweise zum späteren Neustarten eines einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystems, das einen mindestens ein Heizelement aufweisenden Befeuchter umfasst, der einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass für ein feuchtes Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass für befeuchtetes Kathodengas, einen Kathodenabgasauslass für Kathodenabgas sowie eine Flüssigkeitszufuhr aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for switching off and preferably for later restarting a fuel cell system having a fuel cell stack, which comprises a humidifier having at least one heating element, which has a stack-side cathode exhaust gas inlet for a moist cathode exhaust gas, a compressor-side cathode gas inlet for dry cathode gas, a stack-side cathode gas damping gas outlet for beode gas. has a cathode exhaust gas outlet for cathode exhaust gas and a liquid supply. The invention further relates to a fuel cell system for performing the method.

Brennstoffzellensysteme dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion mit der Umsetzung eines Brennstoffes, in der Regel Wasserstoff, mit einem sauerstoffhaltigen Gas, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Es besteht die Möglichkeit, in einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug ein hoher Leistungsbedarf besteht und daher eine Vielzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel erforderlich ist. Derartige Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensysteme, insbesondere solche, die eine hohe Leistungsdichte aufweisen, benötigen ein sehr gutes Wassermanagement, wobei die Polymerelektrolytmembran für eine hohe Leistung bei einem hohen Feuchtegehalt betrieben werden muss. Um diesen Feuchtegehalt einzustellen, wird insbesondere das Kathodengas mit Feuchtigkeit angereichert, um eine Feuchtesättigung in der Polymerelektrolytmembran hervorzurufen, was den Transport von Wasserstoffprotonen durch die Membran verbessert. Zur Befeuchtung der Reaktantengase wird ein Befeuchter verwendet, wobei bekannt ist, dass der Feuchteeintrag in ein trockenes Gas durch eine erhöhte Temperatur begünstigt wird.Fuel cell systems serve to provide electrical energy in the context of an electrochemical reaction with the conversion of a fuel, usually hydrogen, with an oxygen-containing gas, usually air. There is the possibility of combining a plurality of fuel cells in a fuel cell stack in a fuel cell device, wherein there is a high power requirement in particular when the fuel cell device is used in a motor vehicle and a large number of fuel cells are therefore required in the fuel cell stack. Such polymer electrolyte membrane fuel cell systems, in particular those which have a high power density, require very good water management, the polymer electrolyte membrane having to be operated for high performance at a high moisture content. In order to adjust this moisture content, the cathode gas in particular is enriched with moisture in order to cause moisture saturation in the polymer electrolyte membrane, which improves the transport of hydrogen protons through the membrane. A humidifier is used to humidify the reactant gases, it being known that the introduction of moisture into a dry gas is favored by an elevated temperature.

Problematisch ist es jedoch, wenn bei einem Start des Brennstoffzellensystems Froststartbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Das kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktantengase und für das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Um diesem Zustand vorzubeugen, ist es bekannt, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems den Brennstoffzellenstapel zu trocknen, wobei die Trocknung Energie verbraucht und Zeit beansprucht, so dass die Nutzerfreundlichkeit dadurch eingeschränkt wird. Aufgrund dieses Trocknens des Brennstoffzellenstapels sowie weiterer Konstituenten des Brennstoffzellensystems ergeben sich nicht nur Nachteile beim Abschalten des Brennstoffzellensystems, sondern auch bei einem Neustart. In diesem Falle liegt nämlich zunächst eine noch zu geringe Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellensystems aufgrund der vorherigen Trocknung beim Abstellen vor, und es dauert eine vom Benutzer als sehr lange empfundene Zeit, bis die Polymerelektrolytmembranen des Brennstoffzellenstapels die benötigte Feuchtigkeit aufweisen, um mit einer hohen Leistung betrieben werden zu können.However, it is problematic if there are frost start conditions when the fuel cell system is started, that is, conditions in which water freezes. This can result in the necessary flow channels for the reactant gases and for the product water being blocked by ice. To prevent this condition, it is known to dry the fuel cell stack when the fuel cell system is switched off, the drying consuming energy and taking time, so that the user friendliness is thereby restricted. Due to this drying of the fuel cell stack and further constituents of the fuel cell system, there are not only disadvantages when switching off the fuel cell system, but also when restarting. In this case, there is initially still too little moisture within the fuel cell system due to the previous drying when it is turned off, and it takes a very long time, which the user perceives, until the polymer electrolyte membranes of the fuel cell stack have the required moisture to operate at a high output to be able to.

Um im Falle eines Froststarts etwaige Eisblockaden zu lösen können, schlägt die US 2018/0 020 506 A1 Endplatten eines Brennstoffzellenstapels vor, die mit einer Heizung ausgestattet sind. Dabei kann auch ein Gefrieren von Wasser innerhalb des Stapels vorgebeugt werden. In der GB 2 526 377 A wird ein Tank zur Lagerung einer Flüssigkeit, insbesondere einer Kühlflüssigkeit zur Kühlung oder Erwärmung des Brennstoffzellenstapels oder zu dessen Befeuchtung beschrieben, der ebenfalls ein oder mehrere Heizelemente umfasst, um etwaig vorhandenes Eis zu schmelzen. In der US 5,965,288 A ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das einen Befeuchter aufweist, der ausgestaltet ist, sowohl den Brennstoff als auch das Kathodengas zu befeuchten. Dazu sind in dem Befeuchter Flüssigkeitskanäle ausgebildet. Um im Falle von Froststartbedingungen etwaige Eisblockaden innerhalb des Befeuchters lösen zu können wird dort vorgeschlagen, einen zweiten Medienkreislauf zu implementieren, in welchem ein Wärmetauscher eingebunden ist, so dass ein durch diesen erwärmtes Medium die Eisblockaden in den Flüssigkeitskanälen lösen kann.In order to be able to solve any ice blockages in the event of a frost start, the US 2018/0 020 506 A1 End plates of a fuel cell stack that are equipped with a heater. Freezing of water within the stack can also be prevented. In the GB 2 526 377 A describes a tank for storing a liquid, in particular a cooling liquid for cooling or heating the fuel cell stack or for moistening it, which likewise comprises one or more heating elements in order to melt any ice present. In the US 5,965,288 A describes a fuel cell system that has a humidifier that is configured to humidify both the fuel and the cathode gas. For this purpose, liquid channels are formed in the humidifier. In order to be able to solve any ice blockages within the humidifier in the event of frost start conditions, it is proposed there to implement a second media circuit in which a heat exchanger is integrated, so that a medium heated by this can release the ice blocks in the liquid channels.

Es hat sich herausgestellt, dass die vorstehend genannten Lösungen nur bedingt geeignet sind, um ein schnelles Neustarten unter Frostbedingungen bei einem Brennstoffzellensystem zu gewährleisten.It has been found that the solutions mentioned above are only suitable to a limited extent in order to ensure a rapid restart under frost conditions in a fuel cell system.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die den vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide a method for switching off a fuel cell system and a fuel cell system for carrying out this method, which take into account the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a fuel cell system having the features of claim 9. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:

  • - Trocknen des Brennstoffzellenstapels auf ein vordefiniertes Feuchteniveau, insbesondere bei zu erwartenden Froststartbedingungen in einem Zeitpunkt eines Neustarts des Brennstoffzellensystems, und
  • - Einstellen einer, insbesondere von Null verschiedenen, Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters auf einen vordefinierten Wert oder auf eine Menge innerhalb eines vorgebbaren Werteintervalls um den vordefinierten Wert über die Flüssigkeitszufuhr.
The process is characterized in particular by the following steps:
  • Drying the fuel cell stack to a predefined moisture level, in particular in the event of expected frost start conditions at a point in time of a restart of the fuel cell system, and
  • - Setting a quantity of liquid, in particular non-zero, within the humidifier to a predefined value or to a quantity within a predeterminable value interval by the predefined value via the liquid supply.

Bei bekannten Abstellprozeduren liegt typischerweise ein nur sehr geringer Anteil an flüssigem Wasser im Befeuchter vor. Da bei der Implementierung eines Heizelements im Befeuchter das Wasser aber sehr schnell aufgetaut werden kann, ist es nun möglich, dass dieses auch schnell in das trockene Kathodengas, mithin in die Frischluft, übertragen werden kann. Aus diesem Grunde ist ein vorgegebenes Grundniveau an Wasser innerhalb des Befeuchters lohnenswert, wobei ein zu hoher Anteil aber schädlich ist, da durch die Volumenausdehnung etwaige Hohlfasermembranen innerhalb des Befeuchters beschädigt werden könnten. Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde und schließt diese mit ein, dass ein vordefinierten Wert einer Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters unter Frostbedingungen oder zu erwartenden Frostbedingungen zuträglich ist, um im Falle eines Neustarts des Brennstoffzellensystems sehr schnell die benötigte Feuchte (relative Feuchte) des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten befeuchteten Kathodengases einzustellen. Damit wird also sehr definiert Flüssigkeit, insbesondere Waser, in den Befeuchter eingebracht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem gewährleistet, dass der Stapel ein möglichst trockenes Feuchteniveau aufweist, womit keine Feuchtigkeit oder Flüssigkeit im Brennstoffzellenstapel zur Verfügung steht, die unter Frostbedingungen gefrieren und dort Kanäle der Anoden- und Kathodenräume blockieren könnte.In known shutdown procedures, there is typically only a very small proportion of liquid water in the humidifier. However, since the water can be thawed very quickly when a heating element is implemented in the humidifier, it is now possible that it can also be quickly transferred into the dry cathode gas, and consequently into the fresh air. For this reason, a predetermined basic level of water inside the humidifier is worthwhile, but too high a proportion is harmful, since the volume expansion could damage any hollow fiber membranes inside the humidifier. The invention is therefore based on the knowledge and includes this that a predefined value of a quantity of liquid within the humidifier under frost conditions or expected frost conditions is beneficial in order to very quickly obtain the required moisture (relative humidity) of the fuel cell stack in the event of a restart of the fuel cell system adjust supplied humidified cathode gas. This means that liquid, especially water, is introduced into the humidifier in a very defined manner. The method according to the invention also ensures that the stack has a moisture level that is as dry as possible, so that no moisture or liquid is available in the fuel cell stack that could freeze under frost conditions and block channels in the anode and cathode compartments there.

Ein besonders kompaktes und effizientes Brennstoffzellensystem lässt sich dadurch realisieren, dass die beim Trocknen des Brennstoffzellenstapels ausgebrachte Flüssigkeit zur Einstellung der Flüssigkeitsmenge im Befeuchter genutzt wird.A particularly compact and efficient fuel cell system can be realized by using the liquid that is applied when the fuel cell stack is drying to adjust the amount of liquid in the humidifier.

Ein zudem umweltfreundliches System weist die Möglichkeit auf, dass die Flüssigkeit anodenseitig in einem Abscheider gesammelt wird, welcher mit dem kathodenseitig angeordneten Befeuchter zumindest zeitweise strömungsmechanisch verbunden wird, um zumindest einen Teil der im Abscheider gesammelten Flüssigkeit in den kathodenseitig angeordneten Befeuchter zum Einstellen der Flüssigkeitsmenge zu leiten.An environmentally friendly system also has the possibility that the liquid is collected on the anode side in a separator, which is at least temporarily connected fluidically to the humidifier arranged on the cathode side, in order to add at least some of the liquid collected in the separator to the humidifier arranged on the cathode side for adjusting the amount of liquid conduct.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abscheider über eine Flüssigkeitsleitung mit der Flüssigkeitszufuhr strömungsmechanisch verbunden ist, und wenn in die Flüssigkeitsleitung ein Flüssigkeitsstellglied eingebunden ist, durch welches beim Einstellen der Flüssigkeitsmenge ein Massenstrom der dem Befeuchter zugeführten Flüssigkeit eingestellt oder geregelt wird. Damit lässt sich gewährleisten, dass nur so viel Flüssigkeit in den Befeuchter eingebracht wird, wie im Falle von Froststartbedingungen durch das Betreiben des Heizelements auch schnell wieder aufgetaut werden kann.It has proven to be advantageous if the separator is connected fluidically to the liquid supply via a liquid line, and if a liquid actuator is integrated in the liquid line, by means of which a mass flow of the liquid supplied to the humidifier is set or regulated when the liquid quantity is set. This ensures that only as much liquid is introduced into the humidifier as can be thawed out quickly by operating the heating element in the event of frost start conditions.

Um den Schritt des Trocknens des Brennstoffzellenstapels nicht erneut durchführen zu müssen, hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Massenstrom der dem Befeuchter zugeführten Flüssigkeit und ein Massenstrom des dem Befeuchter zugeführten Kathodengases beim Einbringen der Flüssigkeit in den Befeuchter derart eingestellt werden, dass keine Flüssigkeit in den Brennstoffzellenstapel vordringt.In order not to have to carry out the step of drying the fuel cell stack again, it has also proven to be advantageous if a mass flow of the liquid supplied to the humidifier and a mass flow of the cathode gas supplied to the humidifier when the liquid is introduced into the humidifier are set such that none Liquid penetrates into the fuel cell stack.

Beim Vorliegen von Frostbedingungen hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn die in dem Befeuchter eingestellte und zumindest teilweise gefrorene Flüssigkeitsmenge beim Neustart des Brennstoffzellensystems mittels des mindestens einen Heizelements aufgetaut wird, bevor das Brennstoffzellensystem in einen Normalbetrieb überführt wird. Aufgrund der im Befeuchter vorhandenen Menge gefrorener Flüssigkeit kann diese mittels des Heizelements sehr schnell aufgetaut werden, so dass auch sehr zügig eine vorgegebene relative Feuchte des frischen Kathodengases eingestellt werden kann, was für eine Feuchtesättigung der Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels notwendig ist.In the presence of frost conditions, it has also proven to be advantageous if the amount of liquid set and at least partially frozen in the humidifier is thawed by means of the at least one heating element when the fuel cell system is restarted before the fuel cell system is brought into normal operation. Due to the amount of frozen liquid present in the humidifier, this can be thawed very quickly by means of the heating element, so that a predetermined relative humidity of the fresh cathode gas can also be set very quickly, which is necessary for moisture saturation of the membranes within the fuel cell stack.

In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, wenn stromab des stapelseitigen Kathodengasauslasses ein Feuchtigkeitssensor vorhanden ist, und wenn das Brennstoffzellensystem dann in den Normalbetrieb überführt wird, wenn der Feuchtigkeitssensor eine Zielfeuchte, insbesondere eine Ziel-Relative-Feuchte, des befeuchteten Kathodengases detektiert.In this context, it is useful if a moisture sensor is present downstream of the stack-side cathode gas outlet, and if the fuel cell system is then switched to normal operation when the moisture sensor detects a target moisture, in particular a target relative humidity, of the humidified cathode gas.

Um ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetztes Brennstoffzellensystem besonders schnell in den Normalbetrieb überführen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Heizelement in einem Zeitpunkt eines Eintritts einer vorgebbaren Umgebungsbedingung bereits eingeschaltet wird, insbesondere wenn beispielsweise eine Fahrzeugtür des Brennstoffzellenfahrzeugs geöffnet oder eine Zündung des Brennstoffzellenfahrzeugs eingeschaltet wird.In order to be able to switch a fuel cell system used in a fuel cell vehicle into normal operation particularly quickly, it has proven to be advantageous if the heating element is already switched on when a predeterminable environmental condition occurs, in particular if, for example, a vehicle door of the fuel cell vehicle is opened or the ignition of the Fuel cell vehicle is turned on.

Die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile gelten für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sinngemäß, das sich insbesondere durch ein Steuergerät und einen Brennstoffzellenstapel auszeichnet, dem kathodenseitig ein Befeuchter mit mindestens einem Heizelement zugeordnet ist, welcher einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass für ein feuchtes Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass für befeuchtetes Kathodengas, einen Kathodenabgasauslass für Kathodenabgas, sowie eine Flüssigkeitszufuhr umfasst, wobei die Flüssigkeitszufuhr mit einem anodenseitig vorhandenen Abscheider strömungsmechanisch verbindbar oder verbunden ist, und wobei das Steuergerät beim Abschalten und vorzugsweise Neustarten des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist:

  • - ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels auf ein vordefiniertes Feuchteniveau, insbesondere bei zu erwartenden Froststartbedingungen in einem Zeitpunkt eines Neustarts des Brennstoffzellensystems zu veranlassen, und
  • - eine, insbesondere von Null verschiedene, Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters auf einen vordefinierten Wert oder auf einen Menge innerhalb eines vorgebbaren Werteintervalls um den vordefinierten Wert über die Flüssigkeitszufuhr einzustellen.
The advantages described in connection with the method apply mutatis mutandis to the fuel cell system according to the invention, which is characterized in particular by a control unit and a fuel cell stack to which a humidifier with at least one heating element is assigned on the cathode side and which has a stack-side cathode exhaust gas inlet for a moist one Cathode exhaust gas, a compressor-side cathode gas inlet for dry cathode gas, a stack-side cathode gas outlet for humidified cathode gas, a cathode exhaust gas outlet for cathode exhaust gas, and a liquid supply, the liquid supply being fluidically connectable or connected to a separator provided on the anode, and preferably when switching off and off, and wherein the control device Fuel cell system is designed:
  • - to cause the fuel cell stack to dry to a predefined moisture level, in particular in the event of expected frost start conditions at a point in time of a restart of the fuel cell system, and
  • - A quantity of liquid, in particular non-zero, within the humidifier to a predefined value or to a quantity within a predefinable value interval in order to set the predefined value via the liquid supply.

Durch diese Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems weist es eine beschleunigte Betriebsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Zudem lässt sich, aufgrund der erhöhten Temperatur innerhalb des Befeuchters, ein verbesserter Wasserübertrag und insgesamt eine kleinere Auslegung des Befeuchters realisieren.As a result of this configuration of the fuel cell system, it has an accelerated operability at low temperatures. In addition, due to the increased temperature inside the humidifier, an improved water transfer and overall a smaller design of the humidifier can be realized.

Um das Brennstoffzellensystem sowie den Befeuchter besonders kompakt zu gestalten, und um eine noch schnellere Froststartfähigkeit hervorzurufen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Befeuchter als ein Membranbefeuchter mit einer wasserdampfpermeable Membran gebildet ist, und wenn das mindestens eine Heizelement in die wasserdampfpermeable Membran integriert, insbesondere in die Membran eingenäht, ist.In order to make the fuel cell system and the humidifier particularly compact and to bring about an even faster frost start capability, it has proven to be advantageous if the humidifier is designed as a membrane humidifier with a water vapor permeable membrane and if the at least one heating element is integrated into the water vapor permeable membrane , in particular sewn into the membrane.

Vorzugsweise ist das mindestens eine Heizelement als ein PTC-Heizer (englisch: „positive temperature coefficient“) oder als PTC-Widerstand gebildet, da dieser temperaturabhängig wirkt. Alternativ oder ergänzend kann das mindestens eine Heizelement aber auch als eine Heizspirale, mithin als ein elektrischer Heizdraht gebildet sein, der aufgrund seiner flachen Gestaltung auf einfache Weise beispielsweise in die wasserdampfpermeable Membran eingebracht oder eingenäht sein kann.The at least one heating element is preferably designed as a PTC heater (English: “positive temperature coefficient”) or as a PTC resistor, since this acts as a function of the temperature. As an alternative or in addition, the at least one heating element can also be formed as a heating spiral, and consequently as an electrical heating wire, which, due to its flat design, can be easily introduced or sewn into the water vapor permeable membrane, for example.

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

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Befeuchter, der ein Heizelement umfasst, und
  • 2 eine kathodenseitige schematische Ansicht auf den in das Brennstoffzellensystem nach 1 eingebundenen Befeuchter.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of a preferred embodiment, and with reference to the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system with a humidifier, which comprises a heating element, and
  • 2nd a cathode side schematic view of the in the fuel cell system 1 integrated humidifier.

In 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, das einen mehrere Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel 130 umfasst. Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu dem Brennstoffzellenstapel 130 zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den an einer chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, das Kathodengas in einem Verdichter 126 zu komprimieren. Durch diese Kompression liegt in der Kathodenzufuhrleitung nach dem Verdichten stark erwärmtes, trockenes Kathodengas vor, das zur unmittelbaren Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 130 nicht geeignet ist, da bei der in der Brennstoffzelle gegebenen Protonenaustauschmembran ausreichend Feuchtigkeit erforderlich ist. In der Kathodenzufuhrleitung ist daher in der Regel stromab des Verdichters 126 ein Ladeluftkühler 128 und wiederum stromab von diesem oder mit diesem zusammengefasst ein Befeuchter 102 angeordnet, in dem das Kathodengas befeuchtet wird, indem das bei der chemischen Reaktion anfallende Produktwasser über eine Kathodenabgasleitung dem Befeuchter 102 zugeführt wird.In 1 is a schematic of a fuel cell system 100 shown that a fuel cell stack having multiple fuel cells 130 includes. Fuel cells serve to provide electrical energy in a chemical reaction between a fuel, usually hydrogen, and an oxygen-containing oxidizing agent, usually air. If the power requirement exceeds the power provided by the fuel cell, there is the possibility of several fuel cells in series with the fuel cell stack 130 to summarize, whereby, however, the need for the reactants involved in a chemical reaction increases and on the cathode side there is the need to use the cathode gas in a compressor 126 to compress. As a result of this compression, the cathode supply line contains highly heated, dry cathode gas after compression, which is for direct use in the fuel cell stack 130 is not suitable since sufficient moisture is required for the proton exchange membrane given in the fuel cell. The cathode supply line is therefore usually downstream of the compressor 126 a charge air cooler 128 and again a humidifier downstream of it or combined with it 102 Arranged in which the cathode gas is humidified by the product water resulting from the chemical reaction via a cathode exhaust line to the humidifier 102 is fed.

Der Befeuchter 102 selbst weist eine zusätzliche Flüssigkeitszufuhr 144 auf, wobei für einen effizienten Eintrag der Flüssigkeit in das trockene Kathodengas vorliegend ein Heizelement 112 vorhanden ist, um Flüssigkeit in die Gasphase zu überführen. Im Falle von Froststartbedingungen ist das Heizelement 112 ausgebildet, Eis zunächst zu verflüssigen. Es können mehrere Heizelemente 112 vorhanden sein, die vorzugsweise dann verteilt im Befeuchter 102 angeordnet sind. Der Befeuchter 102 weist einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass 104 für das feuchte Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass 106 für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass 108 für befeuchtetes Kathodengas sowie einen Kathodenabgasauslass 110 für Kathodenabgas auf. Das Heizelement 112 ist vorgesehen, um eine Temperatur des Befeuchters 102 auf ein gewünschtes Maß zu erhöhen oder einzustellen, bei welchem die Übertragung von Flüssigkeit aus dem feuchten Kathodenabgas in das trockene zugeführte Kathodengas optimiert ist. Zudem kann die Flüssigkeitsübertragung von der feuchten Seite des Befeuchters 102 durch eine Membran 124 zur trockenen Seite des Befeuchters 102 durch eine angepasste Temperatur optimiert werden.The humidifier 102 itself has an additional fluid intake 144 a heating element for an efficient entry of the liquid into the dry cathode gas 112 is present to convert liquid to the gas phase. In the case of frost start conditions, the heating element is 112 trained to liquefy ice first. There can be multiple heating elements 112 be present, which is then preferably distributed in the humidifier 102 are arranged. The humidifier 102 has a stack-side cathode exhaust inlet 104 for the moist cathode exhaust, a compressor-side cathode gas inlet 106 for dry cathode gas, a stacked cathode gas outlet 108 for humidified cathode gas and a cathode exhaust outlet 110 for cathode exhaust. The heating element 112 is provided to a temperature of the humidifier 102 to increase or adjust to a desired level at which the transfer of liquid from the moist cathode exhaust gas into the dry supplied cathode gas is optimized. In addition, fluid transmission from the damp side of the humidifier 102 through a membrane 124 to the dry side of the humidifier 102 be optimized by an adapted temperature.

Der Befeuchter 102 ist mit seinem kathodenseitigen Kathodengasauslass 108 über eine Kathodenzufuhrleitung mit Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 130 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 102 mit seinem kathodenseitigen Kathodenabgaseinlass 104 ebenfalls mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 102 rückgeführt wird. Über die Kathodenräume wird das Kathodengas den Kathoden der Mehrzahl an im Brennstoffzellenstapel 130 angeordneten Brennstoffzellen zugeführt. Protonenleitfähige Membranen trennen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 132 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 138 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulation vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 138 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung ein Brennstoffstellglied 134 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 134 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 136, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen.The humidifier 102 is with its cathode-side cathode gas outlet 108 via a cathode supply line with cathode spaces of the fuel cell stack 130 connected. In addition, the humidifier 102 with its cathode exhaust gas inlet 104 also connected to the cathode compartments via a cathode exhaust gas line, via which unreacted cathode gas or moist cathode exhaust gas to the humidifier 102 is returned. The cathode gas becomes the cathodes of the majority in the fuel cell stack via the cathode spaces 130 arranged fuel cells supplied. Proton-conductive membranes separate the cathodes from the anodes of the fuel cells, and fuel (eg hydrogen) can be fed to the anodes via anode spaces. The anode compartments are connected via an anode feed line with a fuel reservoir that provides the fuel 132 connected. Via an anode recirculation line 138 Unreacted fuel can be fed back to the anode compartments at the anodes. In this case, the anode recirculation is preferably assigned a recirculation blower (not shown in more detail) or fluid mechanically into the anode recirculation line 138 coupled. The anode supply line is a fuel actuator for regulating the supply of fuel 134 assigned or arranged in the anode supply line. This fuel actuator 134 is preferably formed as a pressure control valve. Upstream of the pressure control valve is a heat exchanger 136 , preferably provided in the form of a recuperator for (pre) heating the fuel.

Im Anodenkreislauf ist vorliegend ein Abscheider 140, vorzugsweise ein Wasserabscheider angeordnet, durch den Flüssigkeit angesammelt werden kann. Der Abfluss des Abscheiders 140 ist mit einer Flüssigkeitsleitung 120 verbunden, die den Abscheider 140 strömungsmechanisch mit der Flüssigkeitszufuhr 144 des Befeuchters 102 verbindet, um die im Anodenkreislauf anfallende Flüssigkeit für die Befeuchtung des Kathodengases im Befeuchter 102 zu nutzen. Mit anderen Worten kann damit also die anodenseitig erzeugte Flüssigkeit dazu verwendet werden, sie kathodenseitig für eine Befeuchtung des Kathodengases im Befeuchter 102 zu nutzen. Um die Menge, insbesondere einen Massenstrom, der in den Befeuchter 102 geführten Flüssigkeit einstellen zu können, ist vorliegend der Flüssigkeitsleitung 120 ein Flüssigkeitsstellglied 118, insbesondere ein Ventil, zugeordnet oder in diese fluidmechanisch eingekoppelt. Das Flüssigkeitsstellglied 118 ermöglicht dann die, vorzugsweise regelbare, Zufuhr der Flüssigkeit aus dem Abscheider 140 zu dem im Kathodenkreislauf vorhandenen Befeuchter 102.A separator is present in the anode circuit 140 , preferably a water separator through which liquid can be accumulated. The drain of the separator 140 is with a liquid line 120 connected to the separator 140 fluid mechanically with the fluid supply 144 of the humidifier 102 connects to the liquid in the anode circuit for humidifying the cathode gas in the humidifier 102 to use. In other words, the liquid generated on the anode side can thus be used on the cathode side for moistening the cathode gas in the humidifier 102 to use. To the amount, especially a mass flow, in the humidifier 102 To be able to adjust the guided liquid is in the present case the liquid line 120 a fluid actuator 118 , in particular a valve, assigned or coupled into this fluid mechanically. The fluid actuator 118 then enables the, preferably controllable, supply of the liquid from the separator 140 to the humidifier present in the cathode circuit 102 .

Aus 2 - einer kathodenseitigen Darstellung des Brennstoffzellensystems 100 - ergibt sich, dass ein Steuergerät 122 vorhanden ist, wobei es sich vorzugsweise um das Steuergerät 122 des Brennstoffzellensystems 100 bzw. des Brennstoffzellenstapels 130 handelt. Dieses Steuergerät 122 ist vorliegend ausgelegt, ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels 130 auf ein vordefiniertes Feuchteniveau, insbesondere bei zu erwartenden Froststartbedingungen in einem Zeitpunkt eines Neustarts des Brennstoffzellensystems 100 zu veranlassen, und eine von Null verschiedene Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters 102 auf einen vordefinierten Wert oder innerhalb eines vorgebbaren Werteintervalls um den vordefinierten Wert über die Flüssigkeitszufuhr 144 einzustellen. Hierzu steht das Steuergerät 122 in einer Kommunikationsverbindung (strichlierte Darstellung) mit dem Brennstoffzellenstapel 130 und vorzugsweise mit dem Flüssigkeitsstellglied 118. Alternativ oder zusätzlich steht das Steuergerät 122 in einer Kommunikationsverbindung mit einem kathodenseitig stromauf des Brennstoffzellenstapels 130 und stromab des Befeuchters 102 eingebrachten Feuchtigkeitssensor 114, vorzugsweise weiterhin mit einem optional im Befeuchter 102 vorhandenen Sensor 116 zur Messung der Menge an Flüssigkeit im Befeuchter 102.Out 2nd - A cathode-side representation of the fuel cell system 100 - it turns out that a control unit 122 is present, which is preferably the control unit 122 of the fuel cell system 100 or the fuel cell stack 130 acts. This control unit 122 is designed to dry the fuel cell stack 130 to a predefined moisture level, especially in the event of expected frost start conditions at a time of a restart of the fuel cell system 100 and a non-zero amount of liquid within the humidifier 102 to a predefined value or within a predeterminable value interval around the predefined value via the liquid supply 144 adjust. The control unit stands for this 122 in a communication connection (dashed line) with the fuel cell stack 130 and preferably with the liquid actuator 118 . As an alternative or in addition, the control unit is located 122 in a communication connection with a cathode side upstream of the fuel cell stack 130 and downstream of the humidifier 102 introduced moisture sensor 114 , preferably with an optional humidifier 102 existing sensor 116 for measuring the amount of liquid in the humidifier 102 .

Das Steuergerät 122 ist zudem mit einem Schalter 142 kommunikationsverbunden, so dass das Steuergerät 122 im Falle eines Froststarts einen Stromkreis aktivieren kann, in welchem das Heizelement 112 eingebunden ist oder vorliegt. Das Heizelement 112 ist vorliegend als ein Heizdraht gebildet und vorzugsweise in einer oder in mehreren der Membranen 124 des Befeuchters 102 integriert oder eingenäht. Wenn das Steuergerät 122 den Schalter 142 schließt, so fließt ein Strom durch das als Heizdraht gebildete Heizelement 112, wodurch die Temperatur innerhalb des Befeuchters 102 angehoben wird, um - in einem Froststartbetrieb - etwaige Blockaden von Eis zu schmelzen und den Flüssigkeitsübertrag in das trockene Kathodengas zu verbessern. Der Stromkreis, in welchem das Heizelement 112 vorliegt, verfügt über eine Stromquelle, die beim Schließen des Schalters 142 mit dem Heizelement 112 verbunden wird und dieses bestromt. Es sei aber erwähnt, dass das Steuergerät 122 auch ausgelegt sein kann, einen vom Brennstoffzellenstapel 130 erzeugten Strom in den Stromkreis zu leiten, in welchem das Heizelement 112 vorliegt, so dass keine gesonderte Stromquelle für dieses Heizelement 112 notwendig ist. Hierzu kann zwischen dem Stromkreis und dem Brennstoffzellenstapel 130 zudem ein Umrichter vorhanden sein, um die Stromstärke entsprechend anzupassen.The control unit 122 is also with a switch 142 communication-linked, so that the control unit 122 in the event of a frost start, can activate a circuit in which the heating element 112 is involved or available. The heating element 112 is formed here as a heating wire and preferably in one or more of the membranes 124 of the humidifier 102 integrated or sewn. If the control unit 122 the switch 142 closes, a current flows through the heating element formed as a heating wire 112 , causing the temperature inside the humidifier 102 is raised in order to melt any blockages of ice and to improve the transfer of liquid into the dry cathode gas. The circuit in which the heating element 112 is present, has a power source that when the switch is closed 142 with the heating element 112 is connected and this is energized. But it should be mentioned that the control unit 122 can also be designed, one from the fuel cell stack 130 to conduct current generated in the circuit in which the heating element 112 is present, so that no separate power source for this heating element 112 necessary is. This can be done between the circuit and the fuel cell stack 130 there is also a converter to adjust the current accordingly.

Das Brennstoffzellensystem 100 wird beim Abschalten wie folgt betrieben: Zunächst wird beispielsweise aufgrund eines erhöhten Massenstroms der Brennstoffzellenstapel 30 getrocknet und auf ein vordefiniertes Feuchteniveau eingestellt, das möglichst niedrig zu halten ist. Dies kann bei jedem Abschalten oder aber auch bei zu erwartenden Froststartbedingungen in einem Zeitpunkt eines Neustarts des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen. In aller Regel wird außerdem der Befeuchter 102 (teil-)getrocknet, wobei eine Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters 102 auf ein vordefiniertes Niveau, nämlich einen vordefinierten Wert oder auf eine Menge innerhalb eines vorgegebenen Werteintervalls um den vordefinierten Wert eingestellt wird. Hierzu wird erfindungsgemäß Flüssigkeit über die Flüssigkeitszufuhr 144 in den Befeuchter 102 eingebracht. Dabei wird darauf geachtet, dass gerade nur so viel Flüssigkeit in den Befeuchter 102 eingebracht wird, dass bei deren Gefrieren die Membranen 124 aufgrund der Volumenvergrößerung des Wassers nicht beschädigt werden. The fuel cell system 100 is operated when switched off as follows: First, for example, due to an increased mass flow, the fuel cell stack 30th dried and adjusted to a pre-defined moisture level that should be kept as low as possible. This can occur every time the fuel cell system is switched off or if frost start conditions are to be expected 100 respectively. As a rule, the humidifier is also used 102 (partially) dried, with an amount of liquid inside the humidifier 102 is set to a predefined level, namely a predefined value or to a quantity within a predefined value interval around the predefined value. For this purpose, according to the invention, liquid is supplied via the liquid 144 in the humidifier 102 brought in. Care is taken that there is only so much liquid in the humidifier 102 is introduced that when the membranes freeze 124 not be damaged due to the volume increase of the water.

Beim Einstellen der Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters 102 kann daher zusätzlich der Sensor 116 genutzt werden, um zu bewerten, ob die über die Flüssigkeitsleitung 120 und über die Flüssigkeitszufuhr 144 zugeführte Flüssigkeit bereits ausreicht. Ist eine ausreichende Flüssigkeitsmenge in den Befeuchter 102 eingebracht worden, so wird das Flüssigkeitsstellglied 118 geschlossen, womit aus dem anodenseitig angeordneten Abscheider 140 keine Flüssigkeit mehr auf die Kathodenseite geleitet wird.When adjusting the amount of liquid inside the humidifier 102 can therefore also the sensor 116 used to assess whether the via the fluid line 120 and about hydration 144 supplied liquid is already sufficient. Is a sufficient amount of liquid in the humidifier 102 introduced, so the liquid actuator 118 closed, which means from the anode-side separator 140 no more liquid is directed to the cathode side.

Anschließend kann das Brennstoffzellensystem 100 oder das dieses umfassende Brennstoffzellenfahrzeug endgültig abgestellt werden. Bei Frostbedingungen wird die im Befeuchter 102 vorhandene Flüssigkeit gefrieren, wobei aufgrund des Trocknen des Brennstoffzellenstapels 103 keine Blockaden durch Eis entstehen.Then the fuel cell system 100 or that this comprehensive fuel cell vehicle is finally shut down. In freezing conditions, that in the humidifier 102 freeze existing liquid, due to drying of the fuel cell stack 103 there are no blockages due to ice.

Wird nun das Brennstoffzellenfahrzeug oder das Brennstoffzellensystem 100 wieder neu gestartet, so wird durch das Einschalten des Heizelements 112 die im Befeuchter 102 befindliche Flüssigkeit sehr schnell geschmolzen, so dass ein Flüssigkeitseintrag in die trockene Zuluft, mithin das trockene Kathodengas zügig erfolgt. Dadurch werden wiederum die im Brennstoffzellenstapel 130 enthaltenen Polymerelektrolytmembranen sehr zügig befeuchtet, so dass das Brennstoffzellensystem 100 sehr schnell in den Normalbetrieb überführt werden kann. Um zu bewerten, ob das befeuchtete Kathodengas eine Zielfeuchte erreicht hat, kann beispielsweise stromauf des Brennstoffzellenstapels 130 und stromab des Befeuchters 102 der Feuchtigkeitssensor 114 die relative Feuchte des befeuchteten Kathodengases eingesetzt werden. Ist die Zielfeuchte erreicht, so wird das Brennstoffzellensystem 100 in den Normalbetrieb überführt.Now becomes the fuel cell vehicle or the fuel cell system 100 restarted by switching on the heating element 112 those in the humidifier 102 liquid melted very quickly, so that a liquid entry into the dry supply air, thus the dry cathode gas takes place quickly. This in turn makes them in the fuel cell stack 130 contained polymer electrolyte membranes very quickly moistened, so that the fuel cell system 100 can be converted to normal operation very quickly. To evaluate whether the humidified cathode gas has reached a target moisture level, for example, upstream of the fuel cell stack 130 and downstream of the humidifier 102 the humidity sensor 114 the relative humidity of the humidified cathode gas can be used. If the target humidity is reached, the fuel cell system 100 transferred to normal operation.

Im Ergebnis ist durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 eine sehr schnelle Leistungsverfügbarkeit im Falle eines Neustarts gegeben. Auch ein definierter Abstellvorgang mit entsprechendem Wasser im System lässt sich durch die Erfindung realisieren. Zudem kann durch die zusätzliche Feuchtereduktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels 130 das Risiko, dass Kanäle durch Eis verblocken, reduziert werden. Es kann ein schnellerer Froststart erfolgen, da im Brennstoffzellenstapel 130 wenig oder kein Eis geschmolzen und auch weniger Wasser erwärmt werden muss.The result is by the method according to the invention and by the fuel cell system according to the invention 100 a very fast service availability in the event of a restart. A defined shutdown process with corresponding water in the system can also be realized by the invention. In addition, the additional moisture reduction within the fuel cell stack 130 reduce the risk of channels becoming blocked by ice. A faster frost start can take place because of the fuel cell stack 130 little or no ice melted and less water needs to be heated.

BezugszeichenlisteReference list

100100
BrennstoffzellensystemFuel cell system
102102
BefeuchterHumidifier
104104
KathodenabgaseinlassCathode exhaust inlet
106106
KathodengaseinlassCathode gas inlet
108108
KathodengasauslassCathode gas outlet
110110
KathodenabgasauslassCathode exhaust outlet
112112
HeizelementHeating element
114114
FeuchtigkeitssensorHumidity sensor
116116
Sensorsensor
118118
Flüssigkeitsstellglied (Ventil)Liquid actuator (valve)
120120
FlüssigkeitsleitungLiquid line
122122
SteuergerätControl unit
124124
Membranmembrane
126126
Verdichtercompressor
128128
LadeluftkühlerIntercooler
130130
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
132132
BrennstoffspeicherFuel storage
134134
BrennstoffstellgliedFuel actuator
136136
WärmeübertragerHeat exchanger
138138
RezirkulationsleitungRecirculation line
140140
AbscheiderSeparator
142142
Schaltercounter
144144
FlüssigkeitszufuhrHydration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2018/0020506 A1 [0004]US 2018/0020506 A1 [0004]
  • GB 2526377 A [0004]GB 2526377 A [0004]
  • US 5965288 A [0004]US 5965288 A [0004]

Claims (10)

Verfahren zum Abschalten eines einen Brennstoffzellenstapel (130) aufweisenden Brennstoffzellensystems (100), das einen mindestens ein Heizelement (112) aufweisenden Befeuchter (102) umfasst, der einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass (104) für ein feuchtes Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass (106) für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass (108) für befeuchtetes Kathodengas, einen Kathodenabgasauslass (110) für Kathodenabgas sowie eine Flüssigkeitszufuhr (144) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: - Trocknen des Brennstoffzellenstapels (130) auf ein vordefiniertes Feuchteniveau, und - Einstellen einer Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters (102) auf einen vordefinierten Wert oder auf eine Menge innerhalb eines vorgebbaren Werteintervalls um den vordefinierten Wert über die Flüssigkeitszufuhr (144).Method for switching off a fuel cell system (100) having a fuel cell stack (130), which comprises a humidifier (102) having at least one heating element (112), which has a stack-side cathode exhaust gas inlet (104) for a moist cathode exhaust gas, a compressor-side cathode gas inlet (106) for dry one Has cathode gas, a stack-side cathode gas outlet (108) for humidified cathode gas, a cathode exhaust gas outlet (110) for cathode exhaust gas and a liquid supply (144), characterized by the steps: - drying the fuel cell stack (130) to a predefined moisture level, and - setting a liquid quantity within of the humidifier (102) to a predefined value or to a quantity within a predeterminable value interval by the predefined value via the liquid supply (144). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Trocknen des Brennstoffzellenstapels (130) ausgebrachte Flüssigkeit zur Einstellung der Flüssigkeitsmenge im Befeuchter (102) genutzt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the liquid applied when the fuel cell stack (130) is drying is used to adjust the amount of liquid in the humidifier (102). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit anodenseitig in einem Abscheider (140) gesammelt wird, welcher mit dem kathodenseitig angeordneten Befeuchter (102) zumindest zeitweise strömungsmechanisch verbunden wird, um zumindest einen Teil der im Abscheider (140) gesammelten Flüssigkeit in den kathodenseitig angeordneten Befeuchter (102) zum Einstellen der Flüssigkeitsmenge zu leiten.Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the liquid is collected on the anode side in a separator (140), which is at least temporarily connected fluidically to the humidifier (102) arranged on the cathode side, in order to at least some of the liquid collected in the separator (140) in the humidifier arranged on the cathode side ( 102) to adjust the amount of liquid. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (140) über eine Flüssigkeitsleitung (120) mit der Flüssigkeitszufuhr (144) strömungsmechanisch verbunden ist, und dass in die Flüssigkeitsleitung (120) ein Flüssigkeitsstellglied (118) eingebunden ist, durch welches beim Einstellen der Flüssigkeitsmenge ein Massenstrom der dem Befeuchter (102) zugeführten Flüssigkeit eingestellt oder geregelt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the separator (140) is connected fluidically to the liquid supply (144) via a liquid line (120), and in that a liquid actuator (118) is integrated into the liquid line (120), through which a mass flow when setting the liquid quantity the liquid supplied to the humidifier (102) is adjusted or regulated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom der dem Befeuchter (102) zugeführten Flüssigkeit und ein Massenstrom des dem Befeuchter (102) zugeführten Kathodengases beim Einbringen der Flüssigkeit derart eingestellt werden, dass keine Flüssigkeit in den Brennstoffzellenstapel (130) vordringt.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a mass flow of the liquid supplied to the humidifier (102) and a mass flow of the cathode gas supplied to the humidifier (102) are adjusted during the introduction of the liquid such that no liquid penetrates into the fuel cell stack (130). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Befeuchter (102) eingestellte und zumindest teilweise gefrorene Flüssigkeitsmenge beim Neustart des Brennstoffzellensystems (100) mittels des mindestens einen Heizelements (112) aufgetaut wird, bevor das Brennstoffzellensystem (100) in einen Normalbetrieb überführt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the at least partially frozen amount of liquid set in the humidifier (102) when the fuel cell system (100) is restarted is thawed by means of the at least one heating element (112) before the fuel cell system (100) is brought into normal operation. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des stapelseitigen Kathodengasauslasses (108) ein Feuchtigkeitssensor (114) vorhanden ist, und dass das Brennstoffzellensystem (100) dann in den Normalbetrieb überführt wird, wenn der Feuchtigkeitssensor (114) eine Zielfeuchte des befeuchteten Kathodengases detektiert.Procedure according to Claim 6 , characterized in that a moisture sensor (114) is provided downstream of the stack-side cathode gas outlet (108) and that the fuel cell system (100) is then brought into normal operation when the moisture sensor (114) detects a target moisture content of the humidified cathode gas. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (122) in einem Zeitpunkt eines Eintritts einer vorgebbaren Umgebungsbedingung eingeschaltet wird.Procedure according to Claim 6 or 7 , characterized in that the heating element (122) is switched on at a time of occurrence of a predefinable environmental condition. Brennstoffzellensystem (100) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Steuergerät (122) und mit einem Brennstoffzellenstapel (130), dem kathodenseitig ein Befeuchter (102) mit mindestens einem Heizelement (112) zugeordnet ist, welcher einen stapelseitigen Kathodenabgaseinlass (104) für ein feuchtes Kathodenabgas, einen verdichterseitigen Kathodengaseinlass (106) für trockenes Kathodengas, einen stapelseitigen Kathodengasauslass (108) für befeuchtetes Kathodengas, einen Kathodenabgasauslass (110) für Kathodenabgas, sowie eine Flüssigkeitszufuhr (144) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszufuhr (144) mit einem anodenseitig vorhandenen Abscheider (140) strömungsmechanisch verbindbar oder verbunden ist, und dass das Steuergerät (122) beim Abschalten des Brennstoffzellensystems (100) ausgebildet ist: - ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels (130) auf ein vordefiniertes Feuchteniveau zu veranlassen, und - eine Flüssigkeitsmenge innerhalb des Befeuchters (102) auf einen vordefinierten Wert oder auf eine Menge innerhalb eines vorgebbaren Werteintervalls um den vordefinierten Wert über die Flüssigkeitszufuhr (144) einzustellen.Fuel cell system (100) for performing the method according to one of the Claims 1 to 8th , with a control unit (122) and with a fuel cell stack (130), to which a humidifier (102) with at least one heating element (112) is assigned, which has a stack-side cathode exhaust gas inlet (104) for a moist cathode exhaust gas, a compressor-side cathode gas inlet (106) for dry cathode gas, a stack-side cathode gas outlet (108) for humidified cathode gas, a cathode exhaust gas outlet (110) for cathode exhaust gas, and a liquid supply (144), characterized in that the liquid supply (144) can be connected to a separator (140) on the anode side by fluid mechanics or and that the control unit (122) is designed when the fuel cell system (100) is switched off: - to cause the fuel cell stack (130) to dry to a predefined moisture level, and - to supply a liquid quantity within the humidifier (102) to a predefined value or on a lot within a predeterminable value interval in order to set the predefined value via the liquid supply (144). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (102) als ein Membranbefeuchter mit mindestens einer wasserdampfpermeablen Membran (124) gebildet ist, und dass das mindestens eine Heizelement (112) in die wasserdampfpermeable Membran (124) integriert ist.Fuel cell system (100) Claim 9 , characterized in that the humidifier (102) is designed as a membrane humidifier with at least one water vapor permeable membrane (124), and in that the at least one heating element (112) is integrated in the water vapor permeable membrane (124).
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