DE102020102692A1 - Method for operating a fuel cell system as well as a fuel cell system and a motor vehicle with a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte:• Feststellen des Vorliegens eines Konstant-Leistungsbetriebes, bei dem die Schwankung der Leistungsabgabe kleiner als ein vorgebbarer erster Schwellenwert ist für einen Zeitraum, der größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellenwert ist,• kontinuierliche oder getaktete Messung der Zellspannung und Vergleich der Zellspannung zu Beginn des Zeitraum mit der momentanen Zellspannung und• Schließen auf einen regenerationsbedürftigen Spannungsverlust, wenn die Differenz größer als ein vorgebbarer dritter Schwellenwert ist, sowie• Durchführung einer Erhöhung der Stromentnahme zur Generierung eines Spannungseinbruches bei einem Überschreiten des dritten Schwellenwertes. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem (1)und ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (!).The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1), comprising the steps of: Establishing the presence of constant power operation, in which the fluctuation in the power output is less than a predeterminable first threshold value for a period of time greater than a predeterminable second threshold value is, • continuous or clocked measurement of the cell voltage and comparison of the cell voltage at the beginning of the period with the current cell voltage and Voltage drop when the third threshold value is exceeded. The invention also relates to a fuel cell system (1) and a motor vehicle with a fuel cell system (!).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Schritte:

  • • Feststellen des Vorliegens eines Konstant-Leistungsbetriebes, bei dem die Schwankung der Leistungsabgabe kleiner als ein vorgebbarer erster Schwellenwert ist für einen Zeitraum, der größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellenwert ist,
  • • kontinuierliche oder getaktete Messung der Zellspannung und Vergleich der Zellspannung zu Beginn des Zeitraum mit der momentanen Zellspannung und
  • • Schließen auf einen regenerationsbedürftigen Spannungsverlust, wenn die Differenz größer als ein vorgebbarer dritter Schwellenwert ist, sowie
  • • Durchführung einer Erhöhung der Stromentnahme zur Generierung eines Spannungseinbruches bei einem Überschreiten des dritten Schwellenwertes. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
The invention relates to a method for operating a fuel cell system, comprising the steps:
  • • Establishing the presence of a constant power operation in which the fluctuation in the power output is smaller than a predeterminable first threshold value for a period of time which is greater than a predeterminable second threshold value,
  • • Continuous or clocked measurement of the cell voltage and comparison of the cell voltage at the beginning of the period with the current cell voltage and
  • • Inferring a voltage loss in need of regeneration if the difference is greater than a predeterminable third threshold value, and
  • • Implementation of an increase in the current consumption to generate a voltage dip when the third threshold value is exceeded. The invention further relates to a fuel cell system and a motor vehicle with a fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Für diese elektrochemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas wird ein Katalysator benötigt, der in der Regel durch Edelmetalle wie Platin oder Palladium gebildet ist.Fuel cell systems are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane-electrode unit as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell system with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. A (water-bound or water-free) transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. For this electrochemical reaction between the fuel and the oxygen-containing gas, a catalyst is required, which is usually formed by noble metals such as platinum or palladium.

Die Bedingungen, unter welchen die Brennstoffzellen im Stapel betrieben werden, sind abhängig von den Masseströmen und dem Druck der zugeführten Reaktanten, von der Temperatur, von der relativen Feuchte und von vielen weiteren Faktoren, die nicht nur den Brennstoffzellenstapel selbst, sondern auch dessen Nebenaggregate betreffen. Die Einstellungen der einzelnen Parameter sind gleichzusetzen mit sogenannten elektrischen Lastpunkten, bei welchen das Brennstoffzellensystem betrieben wird. Brennstoffzellensysteme werden auch in Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen über einen längeren Zeitraum eine konstante Leistung verlangt wird, beispielsweise bei der Verwendung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, das zu Lande, zu Wasser oder in der Luft insbesondere im Langstreckenbetrieb eingesetzt wird.The conditions under which the fuel cells are operated in the stack depend on the mass flows and the pressure of the reactants supplied, on the temperature, on the relative humidity and on many other factors that affect not only the fuel cell stack itself, but also its ancillary components . The settings of the individual parameters are to be equated with so-called electrical load points at which the fuel cell system is operated. Fuel cell systems are also used in applications in which a constant power is required over a longer period of time, for example when used in a fuel cell vehicle that is used on land, at sea or in the air, especially in long-distance operation.

Die von einem Brennstoffzellensystem bereit gestellte Leistung ist im Konstant-Leistungsbetrieb aber nicht gleichbleibend hoch. Bei gleichem Soll-Strom sinkt die Spannung des Brennstoffzellenstapels mit zunehmender Betriebszeit leicht ab. Das Absinken der Spannung kann unter anderem auf ungewollte Katalysatorbeladung durch zum Beispiel Platin-Oxid-Spezies zurückgeführt werden. Diese Oxid-Spezies bilden sich im Betrieb auf der Kathode und sind spannungsgetrieben, d.h. ihr Auf- und Abbau ist eine Funktion der Kathoden-Halbzellspannung und somit eine Funktion der Zellspannung. Dieser Aufbauprozess ist nicht verhinderbar und Teil des gewöhnlichen Betriebs. Je stärker die PtOx-Beladung, desto größer sind die Spannungsverluste.However, the power provided by a fuel cell system is not consistently high in constant power operation. With the same target current, the voltage of the fuel cell stack drops slightly with increasing operating time. The drop in voltage can be attributed, among other things, to unwanted catalyst loading by, for example, platinum oxide species. These oxide species form on the cathode during operation and are voltage-driven, i.e. their build-up and breakdown is a function of the cathode half-cell voltage and thus a function of the cell voltage. This building process cannot be prevented and is part of normal operations. The stronger the PtOx loading, the greater the voltage losses.

Der Spannungsverlust verhält sich logarithmisch im zeitlichen Verlauf, d.h. die größte Änderung der Spannung erfolgt in den ersten Sekunden, danach ändert sich die Spannung nur noch langsam und schleichend. Entscheidenden Einfluss auf diese Spannungsverluste hat außerdem die Zellspannung, was zu einer ausgeprägten Lastpunktabhängigkeit führt. Bei Lastpunktwechseln finden PtOx-Umbauprozesse statt - ein Wechsel auf eine höhere Spannung baut mehr PtOx auf, ein Wechsel zu einer niedrigere Spannung baut PtOx teilweise ab. Der Auf- und Abbau-Prozess ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt erneut logarithmisch in der Zeit hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht.The voltage loss behaves logarithmically over time, i.e. the largest change in voltage occurs in the first few seconds, after which the voltage changes only slowly and insidiously. The cell voltage also has a decisive influence on these voltage losses, which leads to a pronounced load point dependency. When the load point changes, PtOx conversion processes take place - a change to a higher voltage builds up more PtOx, a change to a lower voltage partially degrades PtOx. The construction and dismantling process is never completed, but strives again logarithmically in time towards a new electrochemical equilibrium.

Ein Wechsel zu einem hohen Lastpunkt und folglich einer niedrigeren Stapelspannung kann auch als Regeneration interpretiert werden, da ein Teil der unerwünschten Oxid-Beladung abgebaut wird. Dieser Zusammenhang ist offenbart in der EP 2 787 566 A1 , in der bei einer durch hohe Temperaturen bewirkten Degradation zur Regeneration eine Absenkung der Zellspannung durch einen erhöhten Strom beschrieben wird. Die JP 2010040285 A beschreibt zur Regeneration eine Absenkung des Kathodenpotentials.A change to a high load point and consequently a lower stack voltage can also be interpreted as regeneration, since part of the undesired oxide load is broken down. This relationship is disclosed in EP 2 787 566 A1 , in which, in the case of a degradation caused by high temperatures for regeneration, the cell voltage is lowered by an increased Electricity is described. the JP 2010040285 A describes a lowering of the cathode potential for regeneration.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem ohne nachteiligen Einfluss auf den Betrieb die Effizienz eines Brennstoffzellensystems verbessert wird. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a method with which the efficiency of a fuel cell system can be improved without any adverse effect on the operation. Another object is to provide an improved fuel cell system and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1, by a fuel cell system with the features of claim 9 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Betriebszustand erkannt wird, der eine Regeneration ermöglicht, ohne dass der Betrieb beeinträchtigt wird, da bei einem Konstant-Leistungsbetrieb ein kurzfristiger Wechsel des Lastpunktes erfolgen kann, da diese Schwankung unauffällig ist und einem schleichenden Leistungsverlust vorgebeugt wird.The method mentioned at the beginning is characterized in that an operating state is recognized which enables regeneration without the operation being impaired, since a short-term change in the load point can take place in constant power operation, since this fluctuation is inconspicuous and a gradual loss of power is prevented.

Dabei ist die Erhöhung der Stromentnahme so bemessen ist, dass die Zellspannung kleiner als 0,5 V, vorzugsweise kleiner als 0,4 V ist, wobei der kleinere Spannungswert dazu führt, dass der Katalysator momentan frei von PtOx ist, was der maximalen Regenerationswirkung entspricht.The increase in current consumption is such that the cell voltage is less than 0.5 V, preferably less than 0.4 V, the lower voltage value causing the catalyst to be momentarily free of PtOx, which corresponds to the maximum regeneration effect .

Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass während des Konstant-Leistungsbetriebes die Erhöhung der Stromentnahme mehrfach, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen erfolgt, also bei lang andauerndem Konstant-Leistungsbetrieb die Regenerationswirkung wiederholt erzeugt werden kann.There is also the possibility that the current consumption is increased several times during constant-power operation, preferably at regular intervals, that is to say that the regeneration effect can be generated repeatedly in the case of long-lasting constant-power operation.

Es ist vorteilhaft, wenn der erste Schwellenwert kleiner/gleich 10 %, vorzugsweise kleiner/gleich 5 % ist, um so eine ausreichende Häufigkeit des Vorliegens eines Konstant-Leistungsbetriebes zu haben.It is advantageous if the first threshold value is less than / equal to 10%, preferably less than / equal to 5%, in order to have a sufficient frequency of constant power operation.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der dritte Schwellenwert größer/gleich 0,05 V ist, also eine Regeneration nur erfolgt, wenn der Spannungsverlust nicht nur marginal ist.It is also provided that the third threshold value is greater than / equal to 0.05 V, that is, regeneration only takes place if the voltage loss is not only marginal.

Da die Regeneration zu Beginn am schnellsten verläuft und nur eine langsame Annäherung an das neue elektrochemische Gleichgewicht erfolgt, ist es zweckmäßig, wenn die Dauer der Erhöhung der Stromentnahme auf ein Zeitintervall kleiner als 1 s begrenzt ist.Since the regeneration is the fastest at the beginning and only a slow approach to the new electrochemical equilibrium takes place, it is useful if the duration of the increase in the current draw is limited to a time interval of less than 1 s.

Der Einbrechen der Zellspannung wird gefördert, wenn die Versorgung der Kathode mit einem Oxidationsmittel während der Dauer der Erhöhung der Stromentnahme reduziert ist, so dass der Spannungsabbau schneller erreicht werden kann.The collapse of the cell voltage is promoted if the supply of the cathode with an oxidizing agent is reduced during the duration of the increase in the current consumption, so that the voltage reduction can be achieved more quickly.

Dabei erfolgt die Versorgung der Anode mit einem Brennstoff während der Dauer der Erhöhung der Stromentnahme in einem Umfang, der ein überstöchiometrisches Verhältnis gewährleistet, um eine anodenseitige Unterversorgung zu vermeiden.In this case, the anode is supplied with a fuel for the duration of the increase in the current draw to an extent that ensures a more than stoichiometric ratio in order to avoid an undersupply on the anode side.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellensystem mit einem Steuergerät zur Durchführung eines vorstehend geschilderten Verfahrens sowie für ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem. Der Konstant-Leistungsbetrieb kann in diesem Fall mit einer Überlandfahrt mit konstanter Geschwindigkeit veranschaulicht werden.The above-mentioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a fuel cell system with a control device for carrying out a method described above and to a motor vehicle with such a fuel cell system. In this case, constant-power operation can be demonstrated by driving overland at constant speed.

Im Ergebnis wird ausgenutzt, dass der PtOx-Abbauprozess innerhalb weniger Millisekunden abgeschlossen ist (je niedriger die Zellspannung, desto schneller), so dass eine kurze Verweilzeit mit einer Zellspannung von unter 0.5 V ausreicht, um den gewünschten Regenerationseffekt zu erzielen. Wird das Brennstoffzellensystem daher kurzzeitig mit einem sehr hohen Laststrom, der im Idealfall zu Spannungen kleiner 0,4 V führt, beaufschlagt, führt dies zu einem kurzen Einbrechen der Zellspannung mit dem zuvor beschriebenem Effekt. Die Höhe das Laststroms richtet sich hierbei nach dem aktuellen Lastpunkt des Brennstoffzellensystems und den stöchiometrischen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle. Da eine Überlastung der Brennstoffzelle keinesfalls zu einer anodenseitige Unterversorgung führen darf, wird der anodenseitige Reaktant entsprechend nachgeführt. Die Kathode hingegen darf und soll in diesem Zustand unterversorgt werden.The result is that the PtOx degradation process is completed within a few milliseconds (the lower the cell voltage, the faster), so that a short dwell time with a cell voltage of less than 0.5 V is sufficient to achieve the desired regeneration effect. If the fuel cell system is therefore briefly subjected to a very high load current, which in the ideal case leads to voltages less than 0.4 V, this leads to a brief collapse in the cell voltage with the effect described above. The level of the load current depends on the current load point of the fuel cell system and the stoichiometric operating conditions of the fuel cell. Since an overload of the fuel cell must by no means lead to an anode-side undersupply, the anode-side reactant is adjusted accordingly. The cathode, on the other hand, may and should be undersupplied in this state.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

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

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims and the following description in a preferred manner Embodiments and based on the drawings. It shows:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device.

In der 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, wobei dieses eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.In the 1 is a schematic of a fuel cell system 1 shown, this being a plurality of in a fuel cell stack 3 combined fuel cells 2 includes.

Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 2 comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und / oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that act as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 2 serve.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespal-ten. The anode can take fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode compartment 13th are fed. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.

Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

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

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Because in the fuel cell stack 3 several fuel cells 2 summarized, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that through a compressor 18th a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its setting with regard to that in the fuel cell stack 3 desired temperature and humidity, takes place in one of the compressor 18th downstream intercooler 5 and a downstream humidifier 4th , the moisture saturation of the membranes of the fuel cells 2 to increase their efficiency, as this favors the transport of protons.

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt eine Degradation des Katalysators aufgrund einer Katalysatorbeladung mit PtOx, was zu Spannungsverlusten führt, die detektierbar sind. Diese Degradation ist reversibel, was ausgenutzt wird, um die Spannungsverluste zu begrenzen beziehungsweise zu beseitigen. Erfolgt nämlich eine Absenkung der Zellspannung, beispielsweise durch eine erhöhte Stromentnahme bei hohen Lastpunkten, wird PtOx abgebaut. Je höher dieser Lastpunkt liegt, desto stärker ist die regenerative Wirkung. Im Idealfall ist der Laststrom so hoch, dass jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem eine Spannung unter 0,5V (idealerweise unter 0,4V) erreicht und somit in diesem Moment der Katalysator PtOx frei ist, was der maximalen Regenerationswirkung entspricht. Damit diese Regeneration ohne eine Einschränkung der Leistungsverfügbarkeit möglich ist, wird das nachstehende Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 angewandt, das die folgenden Schritte umfasst. Zunächst erfolgt ein Feststellen des Vorliegens eines Konstant-Leistungsbetriebes, bei dem die Schwankung der Leistungsabgabe kleiner als ein vorgebbarer erster Schwellenwert ist, der kleiner/gleich 10 %, vorzugsweise kleiner/gleich 5 % ist. Durch diese Wahl wird vermieden, dass die Voraussetzung für eine Regeneration zu selten vorliegen.In the operation of the fuel cell system 1 a degradation of the catalyst occurs due to a catalyst loading with PtOx, which leads to voltage losses which can be detected. This degradation is reversible, which is used to limit or eliminate the voltage losses. If the cell voltage is reduced, for example due to increased current consumption at high load points, PtOx is degraded. The higher this load point, the stronger the regenerative effect. In the ideal case, the load current is so high that each fuel cell in the fuel cell system reaches a voltage below 0.5V (ideally below 0.4V) and thus the PtOx catalyst is free at this moment, which corresponds to the maximum regeneration effect. The following method for operating a fuel cell system is used so that this regeneration is possible without restricting the power availability 1 which includes the following steps. First, the presence of a constant power operation is established, in which the fluctuation in the power output is less than a predeterminable first threshold value which is less than / equal to 10%, preferably less than / equal to 5%. This choice prevents the conditions for regeneration from being met too seldom.

Weiterhin wird gefordert, dass der Zeitraum des Konstant-Leistungsbetriebes größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellenwert ist, es also gerechtfertigt sein muss, einen Konstant-Leistungsbetrieb anzuerkennen. Es erfolgt eine kontinuierliche oder getaktete Messung der Zellspannung und Vergleich der Zellspannung zu Beginn des Zeitraum mit der momentanen Zellspannung. Es wird auf einen regenerationsbedürftigen Spannungsverlust geschlossen, wenn die Differenz größer als ein vorgebbarer dritter Schwellenwert ist, der größer/gleich 0,01 V ist. Wenn die Voraussetzungen einer Regeneration gegeben sind, erfolgt eine Erhöhung der Stromentnahme zur Generierung eines Spannungseinbruches bei einem Überschreiten des dritten Schwellenwertes.Furthermore, it is required that the period of constant power operation is greater than a predeterminable second threshold value, so it must be justified to recognize constant power operation. There is a continuous or clocked measurement of the cell voltage and comparison of the cell voltage at the beginning of the period with the current cell voltage. It is concluded that there is a voltage loss in need of regeneration if the difference is greater than a predeterminable third threshold value that is greater than or equal to 0.01 V. If the prerequisites for regeneration are met, the current consumption is increased to generate a voltage dip when the third threshold value is exceeded.

Die Erhöhung der Stromentnahme ist dabei so bemessen, dass die Zellspannung kleiner als 0,5 V, vorzugsweise kleiner als 0,4 V ist, da bei diesem Spannungswert kein PtOx mehr vorliegt.The increase in the current consumption is dimensioned in such a way that the cell voltage is less than 0.5 V, preferably less than 0.4 V, since PtOx is no longer present at this voltage value.

Dauert der Konstant-Leistungsbetrieb ausreichend lange an, kann die Erhöhung der Stromentnahme auch mehrfach, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen erfolgen.If the constant power operation lasts for a sufficiently long time, the increase in the current consumption can also take place several times, preferably at regular intervals.

Weil die Annäherung an das neue elektrochemische Gleichgewicht am Anfang am schnellsten erfolgt, ist es ausreichend, wenn die Dauer der Erhöhung der Stromentnahme auf ein Zeitintervall kleiner als 1 s begrenzt ist.Because the approach to the new electrochemical equilibrium takes place the fastest at the beginning, it is sufficient if the duration of the increase in the current draw is limited to a time interval of less than 1 s.

Um einen schnellen Spannungseinbruch zu erzielen, wird zusätzlich die Versorgung der Kathode mit einem Oxidationsmittel während der Dauer der Erhöhung der Stromentnahme reduziert, während die Versorgung der Anode mit einem Brennstoff während der Dauer der Erhöhung der Stromentnahme in einem Umfang erfolgt, der ein überstöchiometrisches Verhältnis gewährleistet.In order to achieve a rapid voltage dip, the supply of the cathode with an oxidizing agent is additionally reduced during the duration of the increase in the current consumption, while the supply of the anode with a fuel during the duration of the increase in the current consumption is carried out to an extent that ensures an over-stoichiometric ratio .

Das eingangs geschilderte Brennstoffzellensystem 1 erfordert zur Durchführung des Verfahrens lediglich ein geeignet angepasstes und ausgelegtes Steuergerät.The fuel cell system described at the beginning 1 only requires a suitably adapted and designed control unit to carry out the method.

Ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem 1 weist eine gesteigerte Effizienz auf, da Regenerationsvorgänge einer Alterung beziehungsweise einer Einschränkung der Leistungsfähigkeit vorbeugen.A motor vehicle with a corresponding fuel cell system 1 shows increased efficiency, since regeneration processes prevent aging or a reduction in performance.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellensystemFuel cell system
22
BrennstoffzelleFuel cell
33
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44th
BefeuchterHumidifier
55
LadeluftkühlerIntercooler
66th
BypassleitungBypass line
77th
Befeuchter-BypassventilHumidifier bypass valve
88th
FrischluftdosierventilFresh air metering valve
99
FrischluftleitungFresh air duct
1010
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
1111
KathodenabgasventilCathode exhaust valve
1212th
BrennstoffleitungFuel line
1313th
BrennstofftankFuel tank
1414th
RezirkulationsleitungRecirculation line
1515th
RezirkulationsgebläseRecirculation fan
1616
WärmetauscherHeat exchanger
1818th
Verdichtercompressor
1919th
BrennstoffdosierventilFuel metering valve
2020th
WasserabscheiderWater separator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2787566 A1 [0006]EP 2787566 A1 [0006]
  • JP 2010040285 A [0006]JP 2010040285 A [0006]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte: • Feststellen des Vorliegens eines Konstant-Leistungsbetriebes, bei dem die Schwankung der Leistungsabgabe kleiner als ein vorgebbarer erster Schwellenwert ist für einen Zeitraum, der größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellenwert ist, • kontinuierliche oder getaktete Messung der Zellspannung und Vergleich der Zellspannung zu Beginn des Zeitraum mit der momentanen Zellspannung und • Schließen auf einen regenerationsbedürftigen Spannungsverlust, wenn die Differenz größer als ein vorgebbarer dritter Schwellenwert ist, sowie • Durchführung einer Erhöhung der Stromentnahme zur Generierung eines Spannungseinbruches bei einem Überschreiten des dritten Schwellenwertes.A method for operating a fuel cell system (1), comprising the steps: • Establishing the presence of a constant power operation in which the fluctuation in the power output is smaller than a predeterminable first threshold value for a period of time which is greater than a predeterminable second threshold value, • Continuous or clocked measurement of the cell voltage and comparison of the cell voltage at the beginning of the period with the current cell voltage and • Inferring a voltage loss in need of regeneration if the difference is greater than a predeterminable third threshold value, and • Implementation of an increase in the current consumption to generate a voltage dip when the third threshold value is exceeded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Stromentnahme so bemessen ist, dass die Zellspannung kleiner als 0,5 V, vorzugsweise kleiner als 0,4 V istProcedure according to Claim 1 , characterized in that the increase in the current consumption is such that the cell voltage is less than 0.5 V, preferably less than 0.4 V. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Konstant-Leistungsbetriebes die Erhöhung der Stromentnahme mehrfach, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen erfolgt.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the current consumption is increased several times during constant power operation, preferably at regular intervals. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwellenwert kleiner/gleich 10 %, vorzugsweise kleiner/gleich 5 % ist.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the first threshold value is less than / equal to 10%, preferably less than / equal to 5%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schwellenwert größer/gleich 0,01 V ist.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the third threshold value is greater than / equal to 0.01 V. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Erhöhung der Stromentnahme auf ein Zeitintervall kleiner als 1 s begrenzt ist.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the duration of the increase in the current consumption is limited to a time interval of less than 1 s. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der Kathode mit einem Oxidationsmittel während der Dauer der Erhöhung der Stromentnahme reduziert ist.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the supply of the cathode with an oxidizing agent is reduced during the duration of the increase in the current draw. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der Anode mit einem Brennstoff während der Dauer der Erhöhung der Stromentnahme in einem Umfang erfolgt, der ein überstöchiometrisches Verhältnis gewährleistet.Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the supply of the anode with a fuel takes place during the duration of the increase in the current draw to an extent that ensures a more than stoichiometric ratio. Brennstoffzellensystem (1) mit einem Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Fuel cell system (1) with a control device for performing the method according to one of the Claims 1 until 8th . Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9.Motor vehicle with a fuel cell system (1) according to Claim 9 .
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