DE102019203006A1 - Method for avoiding ice pressure damage in water-filled components of a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem mit einem Kathodenpfad (10), wobei der Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen von Luft (L) an das Brennstoffzellensystem (100) dient, und wobei im Kathodenpfad (10) ein Wasserbereitstellungssystem (20) zum Befeuchten der Luft vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems (100) feucht zu halten. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist:- Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20).The invention relates to a method for operating a fuel cell system (100) with a cathode path (10), the cathode path (10) serving to provide air (L) to the fuel cell system (100), and wherein the cathode path (10) has a Water supply system (20) is provided for humidifying the air in order to keep a membrane of the fuel cell system (100) moist. For this purpose, it is provided according to the invention that the method has at least one following step: emptying and / or venting the water supply system (20).

Description

Stand der TechnikState of the art

Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystemen als Energiewandler wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, der in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert und durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung liefert. Bei Brennstoffzellensystemen mit PEM-Technologie muss die Membran einen ausreichend hohen Wassergehalt aufweisen, damit sie gut protonenleitfähig ist. Eine zu geringe Befeuchtung der Membran führt zu deutlichen Leistungseinbußen sowie Wirkungsgradverlusten. Um eine ausreichende Befeuchtung und damit den Betrieb der Brennstoffzellensysteme zu gewährleisten, können unterschiedliche Wasserbereitstellungssysteme vorgesehen werden, bspw. mit einem Membranbefeuchter. Dabei wird die verdichtete und somit aufgewärmte Luft mithilfe des Membranbefeuchters befeuchtet und in das Brennstoffzellensystem eingeleitet. Der Membranbefeuchter kann das Wasser von der feuchten Abluft des Brennstoffzellensystems entnehmen. verbesserte Wasserbereitstellungssysteme sehen eine unmittelbare Einspritzung von Wasser im Kathodenpfad vor dem Eintritt in das Brennstoffzellensystem vor. In den wasserführenden Komponenten der Wasserbereitstellungssysteme besteht jedoch die Gefahr vom Einfrieren des Wassers in den Verbindungsleitungen, der Aktorik, der Sensorik, sowie der Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems und von Eisdruckschäden im System.In vehicles with fuel cell systems as an energy converter, the oxidizing agent oxygen from the ambient air is used as a rule, which reacts with hydrogen to form water or water vapor in the fuel cell and delivers electrical power through electrochemical conversion. In fuel cell systems with PEM technology, the membrane must have a sufficiently high water content so that it has good proton conductivity. Too little humidification of the membrane leads to significant performance losses and a loss of efficiency. In order to ensure adequate humidification and thus the operation of the fuel cell systems, different water supply systems can be provided, for example with a membrane humidifier. The compressed and thus warmed air is humidified with the help of the membrane humidifier and fed into the fuel cell system. The membrane humidifier can take the water from the humid exhaust air of the fuel cell system. improved water supply systems provide for water to be injected immediately in the cathode path prior to entering the fuel cell system. In the water-carrying components of the water supply system, however, there is a risk of the water freezing in the connecting lines, the actuators, the sensors, and the injection valves of the water supply system, and ice pressure damage in the system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to a first aspect, the invention provides a method for operating a fuel cell system having the features of the independent method claim. Furthermore, according to a second aspect, the invention provides a corresponding fuel cell system with the features of the independent device claim. Further advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and in each case vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to the individual aspects of the invention.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vor, wobei der Kathodenpfad zum Bereitstellen von Luft an das Brennstoffzellensystem dient, und wobei im Kathodenpfad ein Wasserbereitstellungssystem zum Befeuchten der Luft vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems feucht zu halten. Hierzu weist das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt auf:

  • - Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems, vorzugsweise um Eisdruckschäden in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems zu vermeiden.
The present invention provides, according to a first aspect of the invention, a method for operating a cathode path of a fuel cell system, wherein the cathode path is used to provide air to the fuel cell system, and wherein a water supply system for humidifying the air is provided in the cathode path to a membrane of the fuel cell system keep moist. For this purpose, the method has at least one following step:
  • - Emptying and / or venting the water supply system, preferably to avoid ice pressure damage in the components of the water supply system.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.The fuel cell system according to the invention can advantageously be used for mobile applications, for example in motor vehicles, or for stationary applications, for example in generators.

Die Erfindung erkennt dabei, dass Wasser in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems verbleiben kann und bei bestimmten Umgebungsbedingungen einfrieren kann. Das gefrorene Wasser bringt die Gefahr von Eisdruckschäden im System mit sich. Die Erfindung bestrebt, die Vorteile der Wassereinspritzung bei der Befeuchtung der Membran zu nutzen und Maßnahmen zu treffen, um die wasserbefüllten Komponenten des Wasserbereitstellungssystems bei kritischen Temperaturbedingungen sicher zu betreiben, sicher abzustellen und zu starten. Die Erfindung entfaltet ihr Potential insbesondere bei einem frostsicheren Abstellen und einem nachfolgenden Starten des Brennstoffzellensystems.The invention recognizes that water can remain in the components of the water supply system and can freeze under certain environmental conditions. The frozen water carries the risk of ice pressure damage in the system. The invention strives to use the advantages of water injection when moistening the membrane and to take measures to safely operate, safely shut down and start the water-filled components of the water supply system under critical temperature conditions. The invention unfolds its potential in particular when the fuel cell system is switched off in a frost-proof manner and then started.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass das Wasserbereitstellungssystem, insbesondere bei dem Abstellen des Brennstoffzellensystems, von dem Wasser in den wasserführenden Komponenten in den wasserführenden Komponenten vollständig oder zum Teil befreit bzw. entleert bzw. teilentleert wird. Die Komponenten können Verbindungsleitungen, die Aktorik, die Sensorik, sowie die Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems (ausgenommen des Bevorratungstanks für Wasser) umfassen. Das Entleeren des Wassers kann vorteilhafterweise mithilfe der vorhandenen Komponenten des Kathodenpfades durchgeführt werden. Bspw. kann durch Ansteuerung eines Verdichters bzw. eines Gebläses am Eingang des Kathodenpfades bzw. vor den Wassereinspritzstellen im Kathodenpfad eine verdichtete Luft erzeugt werden, die über die Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems befördert werden kann, um das Wasser aus den Verbindungsleitungen incl. Aktorik und Sensorik des Wasserbereitstellungssystems, vorzugsweise zurück in den Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems, zu entleeren. Hierzu können die Klappen- bzw. Ventile im Kathodenpfad entsprechend angesteuert werden. Die Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems können dabei komplett geöffnet oder auch getaktet werden. Vorteilhafterweise kann das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems nur bei entsprechender Frostgefahr stattfinden. Hierzu können Funktionen zur Abschätzung der Frostgefahr mittels Temperaturmesswerten eingesetzt (OnBoard und/oder connected) eingesetzt werden. Beim Starten des Brennstoffzellensystems (nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems beim Abstellen des Brennstoffzellensystems) kann mittels der Förderpumpe des Wasserbereitstellungssystems die Verbindungsleitungen incl. Aktorik und Sensorik wieder befüllt und die Verbindungsleitungen können direkt in den Kathodenpfad entlüftet werden.The idea of the invention is that the water supply system, in particular when the fuel cell system is switched off, is completely or partially freed or emptied or partially emptied of the water in the water-carrying components in the water-carrying components. The components can include connecting lines, the actuators, the sensors, and the injection valves of the water supply system (with the exception of the storage tank for water). The emptying of the water can advantageously be carried out using the existing components of the cathode path. E.g. By activating a compressor or a blower at the entrance of the cathode path or in front of the water injection points in the cathode path, compressed air can be generated that can be conveyed via the injection valves of the water supply system in order to remove the water from the connecting lines including actuators and sensors of the water supply system, preferably back into the storage tank of the water supply system to empty. For this purpose, the flap or valves in the cathode path can be activated accordingly. The injection valves of the water supply system can be opened completely or clocked. Advantageously, the water supply system can only be emptied and / or vented if there is a corresponding risk of frost occur. For this purpose, functions can be used to estimate the risk of frost by means of temperature measurements (onboard and / or connected). When the fuel cell system is started (after the water supply system has been emptied and / or vented when the fuel cell system is switched off), the connection lines including actuators and sensors can be refilled using the feed pump of the water supply system and the connection lines can be vented directly into the cathode path.

Mithilfe der Erfindung können somit die Gefrierschäden bei den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems (Leitungen, Aktoren, Sensoren, Ventile ...) vermieden werden. Die Komponenten selbst können dabei kostengünstig ausgeführt sein, da sie nicht eisdruckfest ausgelegt werden müssen. Dies führt zu einer signifikanten Kostenreduktion im Gesamtsystem. Für die Entleerung des Wasserbereitstellungssystems werden lediglich vorhandene Komponenten des Kathodenpfades, wie z. B. der Verdichter ausgenutzt. Somit entstehen keine zusätzlichen Kosten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.With the help of the invention, freezing damage to the components of the water supply system (lines, actuators, sensors, valves ...) can be avoided. The components themselves can be inexpensive because they do not have to be designed to be resistant to ice pressure. This leads to a significant cost reduction in the overall system. For emptying the water supply system, only existing components of the cathode path, such as. B. exploited the compressor. Thus, there are no additional costs for carrying out the method according to the invention.

Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems ein Verdichter des Kathodenpfades genutzt wird. Somit können die Komponenten des Kathodenpfades ausgenutzt werden, die bereits im System vorhanden sind, ohne zusätzliche Kosten nach sich zu ziehen.Furthermore, in the case of a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that a compressor of the cathode path is used to drain and / or ventilate the water supply system. This means that the components of the cathode path that are already present in the system can be used without incurring additional costs.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems eine Abluftleitung des Kathodenpfades, insbesondere ein Druckregelventil am Ende des Kathodenpfades und/oder By-Pass-Ventil in einer By-Pass-Leitung des Kathodenpfades, nach außen ganz oder teilweise geschlossen wird. Auf diese Weise kann ein Fluss der Kathodenluft zurück in einen Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems ermöglicht werden. Auf diese Weise können das Wasser aus den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems zurück in den Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems verdrängt werden.Furthermore, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that an exhaust air line of the cathode path, in particular a pressure control valve at the end of the cathode path and / or by-pass valve in a by-pass system, is used to drain and / or ventilate the water supply system. Line of the cathode path, is completely or partially closed to the outside. In this way, the cathode air can be allowed to flow back into a storage tank of the water supply system. In this way, the water from the components of the water supply system can be displaced back into the storage tank of the water supply system.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems das Wasserbereitstellungssystem in eine umgekehrte Richtung als im Normalbetrieb des Wasserbereitstellungssystems betrieben wird. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass Wasser nicht aus dem Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems in den Kathodenpfad, sondern aus sämtlichen Komponenten des Wasserbereitstellungssystems, darunter den Verbindungsleitungen incl. Aktorik und Sensorik des Wasserbereitstellungssystems, in den Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems zurückfließen kann. Bei manchen Verdichter- bzw. Pumpentypen ist eine Umkehr der Pumprichtung möglich. Wenn ein Aktuator im Wasserbereitstellungssystem in eine umgekehrte Richtung betrieben wird, kann dies das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems optional unterstützen.Furthermore, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that, in order to drain and / or ventilate the water supply system, the water supply system is operated in a direction opposite to that in normal operation of the water supply system. In this way, it can be made possible that water cannot flow back from the storage tank of the water supply system into the cathode path, but from all components of the water supply system, including the connecting lines including actuators and sensors of the water supply system, into the storage tank of the water supply system. With some compressor or pump types, it is possible to reverse the pumping direction. If an actuator in the water supply system is operated in the opposite direction, this can optionally support the emptying and / or venting of the water supply system.

Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems mindestens ein Einspritzventil des Wasserbereitstellungssystems und/oder ein Rücklaufventil einer Förderpumpe des Wasserbereitstellungssystems geöffnet und/oder getaktet betrieben werden/wird. Somit kann ermöglicht werden, dass ungenutzte Wasser, das in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems verblieben ist, Wasserbereitstellungssystems auf eine pulsbasierte Weise zurück in den Bevorratungstank des gelangen kann.In addition, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that at least one injection valve of the water supply system and / or a return valve of a feed pump of the water supply system are opened and / or operated in a clocked manner for emptying and / or venting the water supply system. It can thus be made possible that unused water that has remained in the components of the water supply system can get back into the storage tank of the water supply system in a pulse-based manner.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass beim Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems ein Wassertank des Wasserbereitstellungssystems befüllt wird. Auch der Wassertank ist eine vorhandene Komponente des Wasserbereitstellungssystems, die nicht extra beschafft werden muss und die zweckgemäß für die Speicherung von Wasser ausgelegt ist.In addition, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that a water tank of the water supply system is filled when the water supply system is emptied and / or vented. The water tank is also an existing component of the water supply system, which does not have to be procured separately and which is designed for the purpose of storing water.

Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems für eine bestimmte Zeitdauer, insbesondere für mindestens 2sek, vorzugsweise 5sek, ausgeführt wird. Die Erfindung erkennt dabei, dass ein vollständiges Entleeren von Wasser aus den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems nicht notwendig ist. In den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems soll vielmehr ausreichend Luft eingeblasen werden, um Schäden bei den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems zu vermeiden, die durch Ausdehnen des Wassers bei Gefrieren entstehen können. Auf diese Weise kann die Dauer des Verfahrens auf eine vorteilhafte Weise reduziert werden.Furthermore, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that the emptying and / or venting of the water supply system is carried out for a certain period of time, in particular for at least 2 seconds, preferably 5 seconds. The invention recognizes that a complete emptying of water from the components of the water supply system is not necessary. Rather, sufficient air should be blown into the components of the water supply system in order to avoid damage to the components of the water supply system, which can result from the expansion of the water when it freezes. In this way the duration of the procedure can be reduced in an advantageous manner.

Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems solange ausgeführt wird, bis Wasserleitungen sowie sämtliche Aktoren und/oder Sensoren des Wasserbereitstellungssystems zumindest zu 50%, vorzugsweise zu 75%, bevorzugt zu 90%, oder sogar mehr über 90%, mit Luft gefühlt sind. Auf diese Weise können die Eisdruckschäden in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems vorteilhafterweise vermieden werden. Das Wasser im Bevorratungstank hat zumeist ausreichend Raum, um die Gefrierschäden bei dem Bevorratungstank zu vermeiden. Ferner kann hierzu eine Tankentlüftung vorteilhafterweise vorgesehen sein.Furthermore, it is conceivable within the scope of the invention that the emptying and / or venting of the water supply system is carried out for that time until water pipes and all actuators and / or sensors of the water supply system are at least 50%, preferably 75%, preferably 90%, or even more than 90%, felt with air. In this way, the ice pressure damage in the components of the water supply system can advantageously be avoided. The water in the storage tank usually has sufficient space to prevent the storage tank from freezing damage. Furthermore, a tank ventilation can advantageously be provided for this purpose.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems beim Abstellen des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems wird die Wasserförderung bzw. Wasserzudosierung unterbrochen, wodurch das Wasser in den dünnen Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems leicht einfrieren kann. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren seine Vorteile beim Abstellen des Brennstoffzellensystems entfalten.Furthermore, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that the emptying and / or venting of the water supply system is carried out when the fuel cell system is switched off. When the fuel cell system is switched off, the water supply or water metering is interrupted, whereby the water in the thin connecting lines of the water supply system can easily freeze. The method according to the invention can thus develop its advantages when the fuel cell system is switched off.

Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems erst dann ausgeführt wird, wenn eine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems sensiert und/oder erfasst und/oder prognostiziert wurde. Auf diese Weise können Ressourcen geschont werden und die Abstellzeiten verkürzt werden, wenn keine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems vorliegt.In addition, in a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can provide that the emptying and / or venting of the water supply system is only carried out when a risk of frost in the vicinity of the fuel cell system has been sensed and / or detected and / or forecast. In this way, resources can be conserved and shutdown times can be shortened if there is no risk of frost in the vicinity of the fuel cell system.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass beim Anstellen bzw. Starten des Brennstoffzellensystems nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems die Verbindungsleitungen, Aktoren und/oder Sensoren des Wasserbereitstellungssystems zunächst mit Wasser befüllt und/oder das Wasserbereitstellungssystem in den Kathodenpfad entlüftet werden/wird. Auf diese Weise kann das Wasserbereitstellungssystem für den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems auf eine vorteilhafte Weise vorbereitet werden, um Verzögerungen beim Befeuchten der Kathodenluft, um die Membran feucht zu halten, im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.In a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the invention can also provide that when the fuel cell system is switched on or started after the water supply system has been emptied and / or vented, the connecting lines, actuators and / or sensors of the water supply system are initially filled with water and / or the water supply system will be vented into the cathode path. In this way, the water supply system can be prepared for normal operation of the fuel cell system in an advantageous manner in order to avoid delays in humidifying the cathode air in order to keep the membrane moist during normal operation of the fuel cell system.

Ferner ist es denkbar, dass zum Anstellen des Brennstoffzellensystems mindestens ein Einspritzventil des Wasserbereitstellungssystems geöffnet und/oder getaktet betrieben wird. Auf diese Weise können die Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems zunächst mit Wasser befüllt und/oder das Wasserbereitstellungssystem in den Kathodenpfad entlüftet werden.Furthermore, it is conceivable that at least one injection valve of the water supply system is opened and / or operated in a clocked manner in order to turn on the fuel cell system. In this way, the connecting lines of the water supply system can first be filled with water and / or the water supply system can be vented into the cathode path.

Weiterhin stellt die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Kathodenpfad bereit, wobei der Kathodenpfad zum Bereitstellen von Luft an das Brennstoffzellensystem dient, und wobei im Kathodenpfad ein Wasserbereitstellungssystem zum Befeuchten der Luft vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems feucht zu halten. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Brennstoffzellensystem zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist, um Eisdruckschäden in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems zu vermeiden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.Furthermore, according to a second aspect of the invention, the invention provides a fuel cell system with a cathode path, the cathode path serving to provide air to the fuel cell system, and wherein a water supply system is provided in the cathode path for humidifying the air in order to keep a membrane of the fuel cell system moist . For this purpose, the invention provides that the fuel cell system is designed to carry out a method according to the first aspect of the invention in order to avoid damage due to ice pressure in the components of the water supply system. With the aid of the fuel cell system according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. Reference is made here in full to these advantages.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:Preferred embodiments:

Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 eine beispielhafte Topologie eines Kathodenpfades und eines Wasserbereitstellungssystems im Sinne der Erfindung und
  • 2 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens im Sinne der Erfindung.
The method according to the invention and the fuel cell system according to the invention and their developments as well as their advantages are explained in more detail below with reference to drawings. They each show schematically:
  • 1 an exemplary topology of a cathode path and a water supply system within the meaning of the invention and
  • 2 an exemplary sequence of a method within the meaning of the invention.

Die 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung, welches mindestens eine Brennstoffzelle 1 oder einen Brennstoffzellenstack 1 und einen Kathodenpfad 10 mit einem Wasserbereitstellungssystem 20 aufweist.The 1 shows schematically a fuel cell system 100 within the meaning of the invention, which at least one fuel cell 1 or a fuel cell stack 1 and a cathode path 10 with a water supply system 20th having.

Am Eingang des Kathodenpfades 10 ist ein Luftfilter 11 angeordnet, um die sauerstoffhaltige Luft L aus der Umgebung entsprechend den Erfordernissen des Brennstoffzellensystems 100 zu filtern.At the entrance of the cathode path 10 is an air filter 11 arranged to the oxygen-containing air L from the environment according to the requirements of the fuel cell system 100 to filter.

Nach dem Luftfilter 11 ist im Kathodenpfad ein Kompressor bzw. ein Verdichter 12 vorgesehen. Der Verdichter 12 dient im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 dazu, die Luft L aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems 100 anzusaugen und im verdichteten Zustand dem Brennstoffzellensystem 100 bereitzustellen.After the air filter 11 is a compressor or a compressor in the cathode path 12 intended. The compressor 12 is used during normal operation of the fuel cell system 100 in addition, the air L from the environment of the fuel cell system 100 suck in and in the compressed state the fuel cell system 100 to provide.

Ein Wärmetauscher 16 kann optional vorgesehen sein, um die verdichtete Zuluft wieder abzukühlen.A heat exchanger 16 can optionally be provided to cool down the compressed supply air again.

Nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 ist ein Druckregelventil 17 vorgesehen, welches zur Druckregulierung im Kathodenpfad 10 dient. After passing through the fuel cell system 100 is a pressure control valve 17th provided, which is used to regulate the pressure in the cathode path 10 serves.

Zwischen einer Zuluftleitung 10.1 und einer Abluftleitung 10.2 kann ferner optional eine Bypassleitung mit einem Bypassventil 15 vorgesehen sein, welches bei Druckregulierung und/oder Massenstrom-Einstellung der Sauerstoffversorgung 10 helfen kann.Between an air supply line 10.1 and an exhaust duct 10.2 can also optionally have a bypass line with a bypass valve 15th be provided, which with pressure regulation and / or mass flow adjustment of the oxygen supply 10 can help.

In der Abluftleitung 10.2 kann weiterhin ggf. eine Turbine 14 vorgesehen sein, um die innere Energie der strömenden Abluft des Brennstoffzellensystems 100 in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung kann dabei dem Verdichter 12 zugefügt werden, um energetische Verluste beim Betreiben des Verdichters 12 zu reduzieren.In the exhaust duct 10.2 can still use a turbine if necessary 14th be provided to the internal energy of the flowing exhaust air of the fuel cell system 100 to convert it into mechanical power. The mechanical power can be attributed to the compressor 12 be added to energy losses when operating the compressor 12 to reduce.

Im Kathodenpfad 10 ist im Rahmen der Erfindung das Wasserbereitstellungssystem 20 vorgesehen. Das Wasserbereitstellungssystem 20 weist dabei einen Kondensator bzw. einen Wasserabscheider 21 auf, welches in der Abluftleitung 10.2 nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist. Der Wasserabscheider 21 dient im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 dazu, Wasser aus der feuchten Abluft des Brennstoffzellensystems 100 zu entnehmen.In the cathode path 10 is within the scope of the invention, the water supply system 20th intended. The water supply system 20th has a condenser or a water separator 21st which is in the exhaust duct 10.2 after the passage of the fuel cell system 100 is arranged. The water separator 21st is used during normal operation of the fuel cell system 100 to do this, water from the humid exhaust air of the fuel cell system 100 refer to.

Das entnommene Wasser wird in einem Bevorratungstank 22 des Wasserbereitstellungssystems 20 zwischengespeichert, um bei Bedarf zur Befeuchtung der Luft L bzw. der Kathodenluft L und somit einer Membran des Brennstoffzellensystems 100 verwendet zu werden.The withdrawn water is in a storage tank 22nd of the water supply system 20th temporarily stored in order to humidify the air L or the cathode air L and thus a membrane of the fuel cell system if necessary 100 to be used.

Zum Einspritzen des Wassers in die Zuluftleitung 10.1 ist ein Dosierventil bzw. ein Einspritzventil 24 und ggf. eine Einspritzeinheit 25 mit mehreren Einspritzventilen 24 vorgesehen. Für die Wassereinspritzung in den Kathodenpfad 10 wird das Einspritzventil 24 (bzw. die Einspritzventile 24, falls mehrere Einspritzstellen vorhanden sind) in den Kathodenpfad 10 geöffnet.For injecting the water into the air supply line 10.1 is a metering valve or an injection valve 24 and if necessary an injection unit 25th with multiple injectors 24 intended. For water injection into the cathode path 10 becomes the injector 24 (or the injectors 24 if there are several injection points) into the cathode path 10 open.

Nach dem Bevorratungstank 22 ist im Wasserbereitstellungssystem 20 ein Aktuator 23, bspw. in Form einer Förderpumpe, vorgesehen, um das zwischengespeicherte Wasser wieder der Zuluft zum Brennstoffzellensystem 100 zuzuführen.After the storage tank 22nd is in the water supply system 20th an actuator 23 , for example. In the form of a feed pump, is provided to make the temporarily stored water back into the supply air to the fuel cell system 100 feed.

Die Erfindung sieht vor, dass ein Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems 20 vorgenommen wird, vorzugsweise beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 10, bspw. wenn die Einfriergefahr besteht, um Eisdruckschäden in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems 20 zu vermeiden, wie den Verbindungsleitungen, der Aktorik, der Sensorik, sowie der Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems (ausgenommen des Bevorratungstanks für Wasser).The invention provides that the water supply system is emptied and / or aerated 20th is made, preferably when turning off the fuel cell system 10 , e.g. if there is a risk of freezing, to avoid ice pressure damage in the components of the water supply system 20th to be avoided, such as the connection lines, the actuators, the sensors, and the injection valves of the water supply system (except for the storage tank for water).

Zur Vorbereitung der Entleerung des Wasserbereitstellungssystems 20 werden folgende Maßnahmen getroffen:

  • - das Druckregelventil 17 im Kathodenpfad 10 wird ganz oder teilweise geschlossen und ggf.
  • - das Bypassventil 15 (falls vorhanden) des Kathodenpfades 10 wird ganz oder teilweise geschlossen.
To prepare for emptying the water supply system 20th the following measures are taken:
  • - the pressure control valve 17th in the cathode path 10 will be fully or partially closed and possibly
  • - the bypass valve 15th (if present) of the cathode path 10 will be closed in whole or in part.

Parallel dazu, danach oder auch davor wird der Verdichter 11 in der Zuluftleitung 10.1 des Kathodenpfades 10 eingeschaltet, um mittels des Verdichters 11 Druck in der Kathodenleitung 10 aufzubauen.The compressor is activated in parallel, after or before 11 in the supply air line 10.1 of the cathode path 10 switched on by means of the compressor 11 Pressure in the cathode lead 10 build up.

Für die Entleerung und/oder Belüftung des Wasserbereitstellungssystems 20 wird das Einspritzventil 24 des Wasserbereitstellungssystems 20 geöffnet. Durch das Druckgefälle zwischen Einspritzventil 24 und dem Bevorratungstank 22 wird das verbliebene Wasser in den Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems 20 in den Bevorratungstank 22 gedrängt. Auch das Einspritzventil 24 und Förderpumpe 23 werden ausreichend entleert, um Eisdruckschäden zu vermeiden.For emptying and / or venting the water supply system 20th becomes the injector 24 of the water supply system 20th open. Due to the pressure drop between the injection valve 24 and the storage tank 22nd the remaining water in the connecting pipes of the water supply system 20th into the storage tank 22nd pushed. The injection valve too 24 and feed pump 23 are emptied sufficiently to avoid damage due to ice pressure.

Optional kann das Einspritzventil 24 oder die Einspritzventil 24 getaktet werden, um eine pulsierende Strömung und eine bessere Entleerung zu erreichen.Optionally, the injection valve 24 or the injector 24 be clocked to achieve a pulsating flow and better emptying.

Eine komplette Entleerung/Trocknung des Wasserbereitstellungssystems 20 ist im Rahmen der Erfindung zumeist nicht notwendig. Es ist in der Regel ausreichend, wenn genügend Gas/Luft in den Bauteilen vorhanden ist, um ein Ausdehnen des Wassers beim Gefrieren zu ermöglichen.A complete emptying / drying of the water supply system 20th is mostly not necessary in the context of the invention. It is usually sufficient if there is enough gas / air in the components to allow the water to expand when it freezes.

Die Förderpumpe 23 des Wasserbereitstellungssystems 20 kann unterschiedliche Förderprinzipien aufweisen und mit verschiedenen Antrieben, wie z. B. Rotationsmotor, Hubmagnet usw., ausgeführt sein. Die Förderpumpe 23 kann vorteilhafterweise mit einem Rücklaufventil ausgeführt sein. Ein Rücklaufventil ist vorteilhaft für die Entleerung in den Bevorratungstanks 22. Dafür reicht bereits eine kleine Rücklauf-Drossel.The feed pump 23 of the water supply system 20th can have different funding principles and with different drives, such. B. rotary motor, solenoid, etc., be executed. The feed pump 23 can advantageously be designed with a return valve. A return valve is advantageous for emptying the storage tanks 22nd . A small return throttle is sufficient for this.

Ist ein Rücklaufventil der Förderpumpe vorhanden, so kann dies auch getaktet angesteuert werden, um eine bessere Entleerung durch eine pulsierende Strömung zu erreichen. Die Taktung kann auch entsprechend der Taktung der Einspritzventils 24 synchronisiert oder auch zeitlich versetzt vorgenommen werden.If the feed pump has a return valve, this can also be controlled in a clocked manner in order to achieve better emptying by means of a pulsating flow. The timing can also correspond to the timing of the injection valve 24 synchronized or can also be carried out at different times.

Die 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie in der 2 zu erkennen ist, kann zunächst im Schritt 101 mithilfe von lokalen Daten und/oder im Schritt 102 mithilfe von externen Daten überprüft werden, ob eine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems 100 besteht. Externe Daten können bspw. von den Wetterdiensten und/oder von verbundenen Fahrzeugen bezogen werden. Die Daten können bspw. Temperaturwerte umfassen.The 2 shows schematically a sequence of a method according to the invention. Like in the 2 can be seen first in step 101 using local data and / or in step 102 external data can be used to check whether there is a risk of frost in the vicinity of the fuel cell system 100 consists. External data can be obtained, for example, from the weather services and / or from connected vehicles. The data can include, for example, temperature values.

Im Schritt 103 kann die Frostgefahr ausgewertet werden. Wenn im Schritt 104 keine Frostgefahr festgestellt wurde, dann braucht das Wasserbereitstellungssystem 20 nicht entleert und/oder belüftet werden. Wenn im Schritt 104 eine Frostgefahr festgestellt wurde, dann wird das Wasserbereitstellungssystem 20 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entleert und/oder belüftetIn step 103 the risk of frost can be evaluated. If in step 104 No risk of frost has been determined, then the water supply system needs 20th not be drained and / or ventilated. If in step 104 a risk of frost has been determined, then the water supply system 20th emptied and / or aerated according to the method according to the invention

Im Bereich 200 sind Schritte 201, 202, 203 angedeutet, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein können.In the area 200 are steps 201 , 202 , 203 indicated, which can be provided for carrying out the method according to the invention.

Im Schritt 201 wird das System zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems vorbereitet. Im Schritt a) kann der Verdichter 12 im Kathodenpfad 10 eingeschaltet werden. Im Schritt b) kann die Abluftleitung 10.2 des Kathodenpfades 10 nach außen ganz oder teilweise abgeschlossen werden. Hierzu können das Druckregelventil 17 und/oder das Bypassventil 15 ganz oder teilweise geschlossen werden.In step 201 the system is prepared for draining and / or venting the water supply system. In step a) the compressor 12 in the cathode path 10 be switched on. In step b) the exhaust air line 10.2 of the cathode path 10 to be fully or partially closed to the outside. The pressure control valve 17th and / or the bypass valve 15th be closed in whole or in part.

Im Schritt 202 wird das Wasserbereitstellungssystem 20 entleert und/oder belüftet. Hierzu können das Einspritzventil 24 und/oder das Rücklaufventil der Förderpumpe 23 geöffnet werden.In step 202 becomes the water supply system 20th emptied and / or ventilated. The injection valve 24 and / or the return valve of the feed pump 23 be opened.

Im Schritt 203 wird das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems 20 abgeschlossen. Hierzu wird der Verdichter 12 im Schritt e) ausgeschaltet. Im Schritt f) werden das Druckregelventil 17 und das Bypassventil 15 im Kathodenpfad entsprechend für das Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 angesteuert. Im Schritt g) können das Einspritzventil 24 und das Rücklaufventil der Förderpumpe 23 geschlossen werden.In step 203 drains and / or aerates the water supply system 20th completed. This is done by the compressor 12 switched off in step e). In step f) the pressure regulating valve 17th and the bypass valve 15th in the cathode path accordingly for switching off the fuel cell system 100 controlled. In step g) the injection valve 24 and the return valve of the feed pump 23 getting closed.

Im Bereich 300 wird schematisch angedeutet, wie das Brennstoffzellensystem 100 nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems 20 wieder angestellt werden kann. Hierzu können im Schritt 301 Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems 20 zunächst mit Wasser befüllt werden, indem die Förderpumpe 23 eingeschaltet wird. Im Schritt 302 kann das Wasserbereitstellungssystem 20 in den Kathodenpfad 10 entlüftet werden, indem das Einspritzventil 24 ggf. getaktet betrieben wird.In the area 300 is indicated schematically, like the fuel cell system 100 after the water supply system has been emptied and / or aerated 20th can be employed again. You can do this in step 301 Connection lines of the water supply system 20th first be filled with water by the feed pump 23 is switched on. In step 302 can the water supply system 20th in the cathode path 10 be vented by the injector 24 is operated clocked if necessary.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The preceding description of the figures describes the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments can, insofar as it is technically sensible, be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Kathodenpfad (10), wobei der Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen von Luft (L) an das Brennstoffzellensystem (100) dient, und wobei im Kathodenpfad (10) ein Wasserbereitstellungssystem (20) zum Befeuchten der Luft (L) vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems (100) feucht zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: - Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20).Method for operating a fuel cell system (100) with a cathode path (10), wherein the cathode path (10) serves to provide air (L) to the fuel cell system (100), and wherein in the cathode path (10) a water supply system (20) is used for humidification the air (L) is provided in order to keep a membrane of the fuel cell system (100) moist, characterized in that the method has at least one following step: - emptying and / or venting the water supply system (20). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) ein Verdichter (12) des Kathodenpfades (10) genutzt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a compressor (12) of the cathode path (10) is used to drain and / or ventilate the water supply system (20). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) eine Abluftleitung (10.2) des Kathodenpfades (10), insbesondere ein Druckregelventil (17) am Ende des Kathodenpfades (10) und/oder By-Pass-Ventil (15) in einer By-Pass-Leitung des Kathodenpfades (10), nach außen ganz oder teilweise geschlossen wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that an exhaust air line (10.2) of the cathode path (10), in particular a pressure regulating valve (17) at the end of the cathode path (10) and / or bypass valve (15), for emptying and / or venting the water supply system (20) ) in a by-pass line of the cathode path (10), is completely or partially closed to the outside. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) das Wasserbereitstellungssystem (20) in eine umgekehrte Richtung als im Normalbetrieb des Wasserbereitstellungssystems (20) betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for emptying and / or venting the water supply system (20) the water supply system (20) is operated in the opposite direction than in normal operation of the water supply system (20). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) mindestens ein Einspritzventil (24) des Wasserbereitstellungssystems (20) und/oder ein Rücklaufventil einer Förderpumpe des Wasserbereitstellungssystems (20) geöffnet und/oder getaktet betrieben werden/wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for emptying and / or venting the water supply system (20) at least one injection valve (24) of the water supply system (20) and / or a return valve of a feed pump of the water supply system (20) is opened and / or clocked operated / will be operated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) ein Wassertank (22) des Wasserbereitstellungssystems befüllt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the water supply system (20) is emptied and / or aerated, a water tank (22) of the water supply system is filled. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) für eine bestimmte Zeitdauer, insbesondere für mindestens 2sek, vorzugsweise 5sek, ausgeführt wird, und/oder dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) solange ausgeführt wird, bis Wasserleitungen, Aktoren und/oder Sensoren des Wasserbereitstellungssystems (20) zumindest zu 50%, vorzugsweise zu 75%, bevorzugt zu 90%, mit Luft gefühlt sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the emptying and / or venting of the water supply system (20) is carried out for a certain period of time, in particular for at least 2 seconds, preferably 5 seconds, and / or that the emptying and / or aeration of the water supply system (20) is carried out until water pipes, actuators and / or sensors of the water supply system (20) are at least 50%, preferably 75%, preferably 90%, with air. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (100) ausgeführt wird, und/oder dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) erst dann ausgeführt wird, wenn eine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems (100) sensiert und/oder erfasst und/oder prognostiziert wurde.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the emptying and / or venting of the water supply system (20) is carried out when the fuel cell system (100) is switched off, and / or that the emptying and / or venting of the water supply system (20) is only carried out then is when a risk of frost in the vicinity of the fuel cell system (100) has been sensed and / or detected and / or forecast. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anstellen und/oder Starten des Brennstoffzellensystems (100) nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) die Verbindungsleitungen, Aktoren und/oder Sensoren des Wasserbereitstellungssystems (20) zunächst mit Wasser befüllt und/oder das Wasserbereitstellungssystem (20) in den Kathodenpfad (10) entlüftet werden/wird, und/oder dass zum Anstellen und/oder Starten des Brennstoffzellensystems (100) mindestens ein Einspritzventil (24) des Wasserbereitstellungssystems (20) geöffnet und/oder getaktet betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when turning on and / or starting the fuel cell system (100) after the emptying and / or venting of the water supply system (20), the connecting lines, actuators and / or sensors of the water supply system (20) initially with Water is filled and / or the water supply system (20) is / is vented into the cathode path (10), and / or that at least one injection valve (24) of the water supply system (20) is opened and / or to turn on and / or start the fuel cell system (100) or is operated clocked. Brennstoffzellensystem (100) mit einem Kathodenpfad (10), wobei der Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen von Luft (L) an das Brennstoffzellensystem (100) dient, und wobei im Kathodenpfad (10) ein Wasserbereitstellungssystem (20) zum Befeuchten der Luft (L) vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems (100) feucht zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Fuel cell system (100) with a cathode path (10), the cathode path (10) serving to provide air (L) to the fuel cell system (100), and a water supply system (20) in the cathode path (10) for humidifying the air (L ) is provided to keep a membrane of the fuel cell system (100) moist, characterized in that the fuel cell system (100) is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
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