DE102020128127A1 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

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Markus RUF
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem wenigstens einen Kathodenraum und wenigstens einen Anodenraum umfassenden Brennstoffzellenstapel (104), mit einer an den Kathodenraum angeschlossenen Kathodengasversorgung und mit einem an den Anodenraum angeschlossenen Anodenkreislauf, der aus einer an einem Stapeleinlass angeschlossenen Anodenzufuhrleitung (107) sowie einer an einem Stapelauslass angeschlossenen und in die Anodenzufuhrleitung (107) mündenden Anodenrezirkulationsleitung (109) gebildet ist, wobei in die Anodenrezirkulationsleitung (109) ein Rootsgebläse (118) strömungsmechanisch eingebunden ist, umfassend die Schritte:- Betrieb des Rootsgebläses (118) in einem Normalbetrieb mit einer zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung, und- Umschalten des Betriebs des Rootsgebläses (118) zu einem Umkehrbetrieb mit einer zum Stapelauslass gerichteten Förderrichtung.Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens mit einem eingerichteten Steuergerät.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (100) with a fuel cell stack (104) comprising at least one cathode space and at least one anode space, with a cathode gas supply connected to the cathode space and with an anode circuit connected to the anode space, which consists of a stack inlet connected to a stack inlet anode supply line (107) and an anode recirculation line (109) connected to a stack outlet and opening into the anode supply line (107), a Roots fan (118) being flow-mechanically integrated into the anode recirculation line (109), comprising the steps:- operation of the Roots fan ( 118) in normal operation with a conveying direction directed towards the stack inlet, and switching the operation of the Roots fan (118) to reverse operation with a conveying direction directed towards the stack outlet. The invention also relates to a corresponding fuel cell system for carrying out the method with a set-up control unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem wenigstens einen Kathodenraum und wenigstens einen Anodenraum umfassenden Brennstoffzellenstapel, mit einer an den Kathodenraum angeschlossenen Kathodengasversorgung und mit einem an den Anodenraum angeschlossenen Anodenkreislauf, der aus einer an einem Stapeleinlass angeschlossenen Anodenzufuhrleitung sowie einer an einem Stapelauslass angeschlossenen und in die Anodenzufuhrleitung mündenden Anodenrezirkulationsleitung gebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahren mit einem eingerichteten Steuergerät.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell stack comprising at least one cathode compartment and at least one anode compartment, with a cathode gas supply connected to the cathode compartment and with an anode circuit connected to the anode compartment, which consists of an anode supply line connected to a stack inlet and an anode supply line connected to a stack outlet connected and opening into the anode supply line anode recirculation line is formed. The invention also relates to a fuel cell system for carrying out the method with a set-up control unit.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), 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. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.Fuel cells use the chemical reaction of a fuel with oxygen to form water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and one 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 assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical power of which is added up. By converting chemical energy directly into electrical energy, fuel cells achieve improved efficiency compared to other electricity generators by bypassing the Carnot factor.

Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf / Anodenloop geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann.Since the anode reaction is usually operated with the fuel being over-stoichiometric, a complete reaction of all of the fuel supplied does not take place in the fuel cell stack. A complete reaction of the oxygen does not take place either. For efficient use of the fuel, it is therefore often fed (recirculated) into an anode circuit / anode loop, with the fuel being enriched again before the fuel is fed back to the fuel cell stack to such an extent that the fuel is again over-stoichiometric and the reaction can take place.

Ein Verfahren mit einer Anodenrezirkulationseinrichtung und einem Ablassventil ist aus der DE 10 2008 058 959 A1 bekannt, wobei nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems zumindest zeitweise die Abschaltprozedur bei geöffnetem Ablassventil weiter betrieben wird. Ein in die Anodenrezirkulationsleitung eingebundenes Rootsgebläse ist der JP 2009 295 482 A zu entnehmen. Aus der DE 10 2009 051 476 A1 ist eine Turbine zum Entspannen eines Abluftstroms aus dem Bereich des Kathodenraums und ein der Turbine nachgeschalteter Nachbrenner bekannt.A method with an anode recirculation device and a bleed valve is known from US Pat DE 10 2008 058 959 A1 known, wherein after shutting down the fuel cell system at least temporarily the shutdown procedure is continued with the drain valve open. A Roots fan integrated into the anode recirculation line is the JP 2009 295 482 A refer to. From the DE 10 2009 051 476 A1 discloses a turbine for relaxing an exhaust air flow from the region of the cathode space and an afterburner downstream of the turbine.

Die Durchströmungsrichtung bei konventionellen Rezirkulationssystemen ist meist konstruktiv festgelegt und kann nicht ohne zusätzliche Anpassungen umgekehrt werden. Es gibt keine Vorrichtung, die für eine anodenseitige Homogenisierung der Feuchteverteilung sorgt. Somit ist meist am Austritt der Ventile viel flüssiges Wasser vorhanden.The direction of flow in conventional recirculation systems is usually determined by the design and cannot be reversed without additional adjustments. There is no device that ensures that the moisture distribution is homogenized on the anode side. As a result, there is usually a lot of liquid water at the outlet of the valves.

Es ist ausgehend davon die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem anzugeben, die diesem Nachteil Rechnung tragen.Proceeding from this, it is the object of the present invention to specify a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system which take this disadvantage into account.

Die vorstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird ferner mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The above object is achieved by a method having the features of claim 1. The object is also achieved with a fuel cell system having the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in die Anodenrezirkulationsleitung ein Rootsgebläse strömungsmechanisch eingebunden ist, und dass es insbesondere die folgenden Schritte umfasst:

  • - Betrieb des Rootsgebläses in einem Normalbetrieb mit einer zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung, und
  • - Umschalten des Betriebs des Rootsgebläses zu einem Umkehrbetrieb mit einer zum Stapelauslass gerichteten Förderrichtung.
The method according to the invention is characterized in particular by the fact that a Roots fan is flow-mechanically integrated into the anode recirculation line and that it comprises the following steps in particular:
  • - Operation of the Roots blower in normal operation with a conveying direction directed towards the stack inlet, and
  • - Switching the operation of the Roots blower to reverse operation with a conveying direction directed towards the stack outlet.

Auf diese Weise lässt sich eine Homogenisierung der anodenseitig vorliegenden Feuchte erzielen.In this way, a homogenization of the moisture present on the anode side can be achieved.

Es ist von Vorteil, wenn beim Erfassen eines Abschaltbefehls des Brennstoffzellensystems die Zufuhr von frischem Brennstoff gestoppt und die Förderrichtung des Rootsgebläses umgekehrt wird. Dadurch wird eine verbesserte Neu-Startfähigkeit der Brennstoffzelle erzielt, da durch die Umkehrung der Förderrichtung nicht nur eine gleichmäßigere Verteilung der Feuchte über den Stapel, sondern auch eine Angleichung der Drücke am Stapeleinlass und am Stapelauslass erzielt werden.It is advantageous if, when a shutdown command of the fuel cell system is detected, the supply of fresh fuel is stopped and the conveying direction of the Roots fan is reversed. This improves the ability of the fuel cell to restart, since the reversal of the conveying direction not only results in a more even distribution of the moisture across the stack, but also an equalization of the pressures at the stack inlet and at the stack outlet.

Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Umkehrung der Förderrichtung zeitlich unmittelbar vor einem endgültigen Abstellen des Brennstoffzellensystems erfolgt. Hierdurch wird ebenfalls eine bessere Gleichverteilung von Feuchtigkeit über den Brennstoffzellenstapel erreicht, so dass gewährleistet sein kann, dass die Feuchtigkeit keinen kritischen Wert überschreitet, der zu einem Kondensieren und Verflüssigen derselben führte.It has proven useful if the conveying direction is reversed immediately before the fuel cell system is finally switched off. This is also a better uniform distribution of moisture over the Reaches fuel cell stack, so that it can be ensured that the moisture does not exceed a critical value that led to condensation and liquefaction of the same.

Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Förderrichtung des Rootsgebläses beim Erfassen einer Down-Transiente für eine vorbestimmte Dauer umgekehrt wird. Im Falle einer Down-Transiente, also beispielsweise im Falle des Bremsens eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wird kein frischer Brennstoff benötigt, so dass das Druckregelventil zum Brennstofftank geschlossen werden und die Förderrichtung des Rootsgebläses bedenkenlos umgekehrt werden kann, um eine Umverteilung der Drücke und der Feuchte über den Brennstoffzellenstapel zu realisieren.It is also advantageous if the conveying direction of the Roots fan is reversed for a predetermined period when a down transient is detected. In the event of a down transient, for example when braking a fuel cell vehicle, no fresh fuel is required, so that the pressure control valve to the fuel tank can be closed and the direction of delivery of the Roots blower can be reversed without hesitation in order to redistribute the pressure and humidity over the Realize fuel cell stack.

Das Rootsgebläse wird vorzugsweise aber beim Erfassen einer Up-Transiente - auch vor Ablauf der vorbestimmten Dauer - wieder in den Normalbetrieb mit der zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung umgeschaltet, um die benötigte Leistung vom Brennstoffzellenstapel anzufordern und abzugreifen.The Roots blower is preferably switched back to normal operation with the conveying direction directed towards the stack inlet when an up transient is detected—even before the end of the predetermined period—in order to request and tap the required power from the fuel cell stack.

Bevorzugt wird der Umkehrbetrieb dann gestartet, wenn der Betrag einer Differenz aus einem Druck am Stapeleinlass und einem Druck am Stapelauslass einen Grenzwert überschreitet. Beim Überschreiten des Grenzwerts liegt ein sehr großer Druckgradient über den Stapel vor, der dazu führen kann, dass ein Teil der im Stapel enthaltenen Feuchtigkeit in die flüssige Phase übergeht und die Kanäle verstopft. Durch die Umkehrung der Förderrichtung wird ein etwaig vorhandener Druckgradient über Stapel abgemildert oder sogar beseitigt.The reverse operation is preferably started when the amount of a difference between a pressure at the stack inlet and a pressure at the stack outlet exceeds a limit value. If the limit is exceeded, there is a very large pressure gradient across the stack, which can result in some of the moisture contained in the stack going into the liquid phase and clogging the channels. By reversing the conveying direction, any existing pressure gradient across the stack is reduced or even eliminated.

Vorteilhaft ist es, wenn der Umkehrbetrieb beendet und der Normalbetrieb gestartet wird, sobald der Grenzwert nicht mehr überschritten wird. Das Umschalten der Strömungsrichtung im optimalen Zeitpunkt reduziert etwaige Degradationseffekte im Brennstoffzellenstapel.It is advantageous if the reverse operation is ended and normal operation is started as soon as the limit value is no longer exceeded. Switching the direction of flow at the optimum point in time reduces any degradation effects in the fuel cell stack.

Der Umkehrbetrieb wird alternativ oder ergänzend auch dann gestartet, wenn am Stapelauslass eine Feuchtegrenzwert überschritten wird, wodurch auch die interne Feuchteverteilung innerhalb der Brennstoffzellen umgekehrt wird. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.Alternatively or additionally, reverse operation is also started when a humidity limit value is exceeded at the stack outlet, which also reverses the internal humidity distribution within the fuel cells. This leads to a longer service life of the fuel cell stack.

Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, dass der Umkehrbetrieb beendet und der Normalbetrieb gestartet wird, sobald der Feuchtegrenzwert nicht mehr überschritten wird. Die interne Feuchteverteilung wird hierdurch ebenfalls verbessert.It has been shown to be particularly advantageous that the reverse operation is ended and normal operation is started as soon as the humidity limit value is no longer exceeded. This also improves the internal moisture distribution.

Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem. Es umfasst hierfür ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät.The advantages and preferred embodiments described in connection with the method according to the invention also apply to the fuel cell system according to the invention. For this purpose, it includes a control unit set up to carry out the method.

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 and 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 in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated 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 zeigen:

  • 1 ein schematisch dargestelltes Brennstoffzellensystem mit einem in den Anodenkreislauf eingebundenen Rootsgebläse, und
  • 2 ein Diagramm der Feuchteverteilung im Brennstoffzellenstapel vom Stapeleinlass (ganz links) bis hin zum Stapelauslass (ganz rechts), wobei gepunktet der Feuchtegrenzwert dargestellt ist, bei welchem das Gasgemisch flüssig wird, wobei der Normalbetrieb ohne Umkehr der Förderrichtung des Rootsgebläses durchgezogen dargestellt ist, und wobei die Feuchteverteilung mit wiederkehrendem Umkehrbetrieb gestrichelt dargestellt ist.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematically illustrated fuel cell system with a Roots blower integrated into the anode circuit, and
  • 2 a diagram of the moisture distribution in the fuel cell stack from the stack inlet (far left) to the stack outlet (far right), with the moisture limit value at which the gas mixture becomes liquid being shown as a dotted line, with normal operation without reversing the conveying direction of the Roots fan being shown as a solid line, and where the moisture distribution with recurring reverse operation is shown in dashed lines.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, das einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel 104 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 104 weist dabei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen auf.In 1 1 shows a fuel cell system 100 which comprises a fuel cell stack 104 having cathode compartments and anode compartments. The fuel cell stack 104 has a plurality of fuel cells connected in series.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells includes an anode and a cathode, and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a 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 aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 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 mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über die Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über die Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Fuel (for example hydrogen) is supplied to the anodes via the anode chambers within the fuel cell stack 104 . In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit. Cathode gas (for example oxygen or oxygen-containing air) can be supplied to the cathodes via the cathode chambers within the fuel cell stack 104, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 +4H + +4e − →2H 2 O (reduction/electron uptake).

Dem Brennstoffzellenstapel 104 ist kathodenseitig eine Kathodengasversorgung zugeordnet, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenzufuhrleitung 103 zur Zufuhr des Kathodengases an die Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 104 aufweist. In die Kathodenzufuhrleitung 103 ist vorliegend zur Vorkonditionierung des Kathodengases ein Befeuchter 102 integriert. Der Befeuchter 102 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden. Stromauf des Befeuchters 102 ist ein Verdichter 112 vorhanden, der das Kathodengas ansaugt, um es anschließend komprimiert über die Kathodenzufuhrleitung 103 an einem Frischgaseinlass des Befeuchters 102 bereitzustellen. Da das Kathodengas beim Verdichten sehr stark erhitzt, wird dieses bereits vor einem Eintritt in den Befeuchter 102 mittels eines Ladeluftkühlers 105 heruntergekühlt, um Schädigungen zu vermeiden. Die Kathodengasversorgung umfasst außerdem eine Kathodenabgasleitung 106 zur Ausbringung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 104, wobei die Kathodenabgasleitung 106 ebenfalls strömungsmechanisch mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden ist. Der Befeuchter 102 ist vorliegend zusätzlich in die Kathodenabgasleitung 106 eingebunden, so dass er mit anderen Worten mit seinem kathodenseitigen Einlass ebenfalls mit den Kathodenräumen über die Kathodenabgasleitung 106 verbunden ist, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 102 rückgeführt wird. Der Befeuchter 102 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen und diese dem frischen Kathodengas zuzuführen. Die Kathodenabgasleitung 6 setzt sich nach dem Befeuchter 102 fort, so dass das (teil-)getrocknete Kathodenabgas einer weiteren Verwertung zugeführt oder an die Umwelt abgegeben werden kann.The fuel cell stack 104 is assigned a cathode gas supply on the cathode side, which has a cathode supply line 103 fluidically connected to the cathode chambers on the stack entry side for supplying the cathode gas to the cathodes of the fuel cells of the fuel cell stack 104 . In the present case, a humidifier 102 is integrated into the cathode supply line 103 for preconditioning the cathode gas. The humidifier 102 is connected to the cathode chambers of the fuel cell stack 104 by its cathode-side outlet. Upstream of the humidifier 102 there is a compressor 112 which draws in the cathode gas in order to then make it available in compressed form via the cathode supply line 103 at a fresh gas inlet of the humidifier 102 . Since the cathode gas heats up very strongly during compression, it is already cooled down by means of a charge air cooler 105 before it enters the humidifier 102 in order to avoid damage. The cathode gas supply also includes a cathode exhaust gas line 106 for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell stack 104 , the cathode exhaust gas line 106 also being fluidically connected to the cathode chambers of the fuel cell stack 104 . In the present case, the humidifier 102 is also integrated into the cathode exhaust gas line 106, so that in other words its cathode-side inlet is also connected to the cathode chambers via the cathode exhaust gas line 106, via which unreacted cathode gas or moist cathode exhaust gas is returned to the humidifier 102. The humidifier 102 is formed from a plurality of water vapor permeable membranes configured to extract moisture from the cathode exhaust gas and add it to the fresh cathode gas. The cathode off-gas line 6 continues after the humidifier 102, so that the (partially) dried cathode off-gas can be fed to further utilization or discharged to the environment.

Dem Brennstoffzellensystem 100 ist anodenseitig eine Brennstoffversorgung zugeordnet, um den Anodenräumen und damit den Anoden der im Brennstoffzellenstapel 104 vorhandenen Brennstoffzellen den Brennstoff zuzuleiten. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 107 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 108 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 109 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Die Anodenrezirkulationsleitung 109 mündet stromauf des Brennstoffzellenstapels 104 also wieder in die Anodenzufuhrleitung 107 und bildet mit stromab der Mündung gebildeten Teil der Anodenzufuhrleitung 107 einen Anodenkreislauf.The fuel cell system 100 is assigned a fuel supply on the anode side in order to supply the fuel to the anode chambers and thus to the anodes of the fuel cells present in the fuel cell stack 104 . The anode chambers are connected via an anode supply line 107 to a fuel reservoir 108 that provides the fuel. Fuel that has not reacted at the anodes can be fed back to the anode chambers via an anode recirculation line 109 . The anode recirculation line 109 thus opens out again into the anode feed line 107 upstream of the fuel cell stack 104 and forms an anode circuit with the part of the anode feed line 107 formed downstream of the outlet.

In dem Brennstoffzellensystems 100 ist in die Anodenrezirkulationsleitung 109 ein Rootsgebläse 118 strömungsmechanisch eingebunden. Während dem Normalbetrieb ist die Förderrichtung des Gases durch das Rootsgebläses 118 zum Stapeleinlass gerichtet, wobei durch Umschalten des Betriebs des Rootsgebläses 118 mit einer zum Stapelauslass gerichteten Förderrichtung das Gas betrieben wird.In the fuel cell system 100 a Roots fan 118 is flow-mechanically integrated into the anode recirculation line 109 . During normal operation, the conveying direction of the gas through the Roots fan 118 is directed towards the stack inlet, the gas being operated by switching the operation of the Roots fan 118 with a conveying direction directed toward the stack outlet.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein nicht näher dargestelltes Steuergerät, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, welches insbesondere die folgenden Schritte umfasst:

  • - Betrieb des Rootsgebläses 118 in einem Normalbetrieb mit einer zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung, und
  • - Umschalten des Betriebs des Rootsgebläses 118 zu einem Umkehrbetrieb mit einer zum Stapelauslass gerichteten Förderrichtung.
The fuel cell system 100 includes a control unit, not shown in detail, which is set up to carry out the method according to the invention, which includes the following steps in particular:
  • - Operation of the Roots blower 118 in normal operation with a conveying direction directed towards the stack inlet, and
  • - switching the operation of the Roots blower 118 to reverse operation with a conveying direction directed towards the stack outlet.

Vorzugsweise wird beim Erfassen eines Abschaltbefehls des Brennstoffzellensystems 100 die Zufuhr von frischem Brennstoff gestoppt und die Förderrichtung des Rootsgebläses 118 umgekehrt. Somit kann die Umkehrung der Förderrichtung zeitlich unmittelbar vor einem endgültigen Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen.When a switch-off command of the fuel cell system 100 is detected, the supply of fresh fuel is preferably stopped and the conveying direction of the Roots fan 118 is reversed. The reversal of the conveying direction can thus take place immediately before the fuel cell system 100 is finally switched off.

Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die Förderrichtung des Rootsgebläses 118 beim Erfassen einer Down-Transiente für eine vorbestimmte Dauer umgekehrt wird, wobei das Rootsgebläse 118 vorzugsweise beim Erfassen einer Up-Transiente - auch vor Ablauf der vorbestimmten Dauer - wieder in den Normalbetrieb mit der zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung umgeschaltet wird.Alternatively or additionally, it is possible that the conveying direction of the Roots fan 118 is reversed for a predetermined period when a down transient is detected, with the Roots fan 118 preferably returning to normal operation when an up transient is detected—even before the end of the predetermined period the conveying direction directed towards the stack inlet is switched over.

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ergeben sich Druckunterschiede zwischen dem Stapeleinlass 114 und dem Stapelauslass 116 des Brennstoffzellenstapels 104, so dass die zusätzliche Möglichkeit gegeben ist, dass der Umkehrbetrieb dann gestartet wird, wenn der Betrag einer Differenz aus einem Druck am Stapeleinlass 114 und einem Druck am Stapelauslass 116 einen Grenzwert überschreitet. Vorzugsweise wird der Umkehrbetrieb beendet und der Normalbetrieb gestartet, sobald der Grenzwert nicht mehr überschritten wird.During operation of the fuel cell system 100, pressure differences arise between the stack inlet 114 and the stack outlet 116 of the fuel cell stack 104, so that there is the additional possibility that the reverse operation is started when the amount of a difference between a pressure at the stack inlet 114 and a pressure at the Stack outlet 116 exceeds a limit. The reverse operation is preferably ended and normal operation is started as soon as the limit value is no longer exceeded.

2 beschreibt ein Diagramm der Feuchteverteilung im Brennstoffzellenstapel 104 vom Stapeleinlass 114 (ganz links) bis hin zum Stapelauslass 116 (ganz rechts), wobei gepunktet der Feuchtegrenzwert dargestellt ist, bei welchem das Gasgemisch flüssig wird, wobei der Normalbetrieb ohne Umkehr der Förderrichtung des Rootsgebläses 118 durchgezogen dargestellt ist, und wobei die Feuchteverteilung mit wiederkehrendem Umkehrbetrieb gestrichelt dargestellt ist. Der Umkehrbetrieb wird insbesondere dann gestartet, wenn am Stapelauslass (116) der gepunktete Feuchtegrenzwert überschritten wird, denn dort kann es passieren, dass die Feuchtigkeit in die flüssige Phase übergeht (durchgezogene Linie oberhalb der gepunkteten Linie) und Kanäle verstopft, was zu einer Schädigung der Konstituenten des Brennstoffzellensystems 100 auf der Anodenseite führen kann. Durch die Umkehrung wird die Verteilung der Feuchtigkeit vergleichmäßigt, so dass die Feuchtigkeit über den Stapel hinweg unterhalb des gepunkteten Feuchtegrenzwerts bleibt. Auch hier wird der Umkehrbetrieb vorzugsweise dann wieder beendet und der Normalbetrieb gestartet, sobald der Feuchtegrenzwert nicht mehr überschritten wird. 2 describes a diagram of the moisture distribution in the fuel cell stack 104 from the stack inlet 114 (far left) to the stack outlet 116 (far right), the moisture limit value at which the gas mixture becomes liquid being shown in dotted lines, with normal operation without reversing the conveying direction of the Roots fan 118 being drawn through is shown, and the moisture distribution with recurring reverse operation is shown in dashed lines. Reverse operation is started in particular when the dotted moisture limit value is exceeded at the stack outlet (116), because that is where the moisture can turn into the liquid phase (solid line above the dotted line) and ducts become blocked, resulting in damage to the Constituents of the fuel cell system 100 can lead to the anode side. The reversal evens out the moisture distribution so that the moisture across the stack remains below the dotted moisture limit. Here, too, the reverse operation is preferably ended again and normal operation is started as soon as the humidity limit value is no longer exceeded.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Brennstoffzellensystemfuel cell system
102102
Befeuchterhumidifier
103103
Kathodenzufuhrleitungcathode supply line
104104
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
105105
Ladeluftkühlerintercooler
106106
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
107107
Anodenzufuhrleitunganode supply line
108108
Brennstoffspeicherfuel storage
109109
Anodenrezirkulationsleitunganode recirculation line
110110
Brennstoffstellgliedfuel actuator
111111
Wärmeübertragerheat exchanger
112112
Verdichtercompressor
114114
Stapeleinlassstack inlet
115115
Druckregelventilpressure control valve
116116
Stapelauslassstack outlet
117117
Purgeventilpurge valve
118118
Rootsgebläseroots blower

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102008058959 A1 [0004]DE 102008058959 A1 [0004]
  • JP 2009295482 A [0004]JP 2009295482 A [0004]
  • DE 102009051476 A1 [0004]DE 102009051476 A1 [0004]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem wenigstens einen Kathodenraum und wenigstens einen Anodenraum umfassenden Brennstoffzellenstapel (104), mit einer an den Kathodenraum angeschlossenen Kathodengasversorgung und mit einem an den Anodenraum angeschlossenen Anodenkreislauf, der aus einer an einem Stapeleinlass angeschlossenen Anodenzufuhrleitung (107) sowie einer an einem Stapelauslass angeschlossenen und in die Anodenzufuhrleitung (107) mündenden Anodenrezirkulationsleitung (109) gebildet ist, wobei in die Anodenrezirkulationsleitung (109) ein Rootsgebläse (118) strömungsmechanisch eingebunden ist, umfassend die Schritte: - Betrieb des Rootsgebläses (118) in einem Normalbetrieb mit einer zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung, und - Umschalten des Betriebs des Rootsgebläses (118) zu einem Umkehrbetrieb mit einer zum Stapelauslass gerichteten Förderrichtung.Method for operating a fuel cell system (100) with a fuel cell stack (104) comprising at least one cathode compartment and at least one anode compartment, with a cathode gas supply connected to the cathode compartment and with an anode circuit connected to the anode compartment, which consists of an anode supply line (107) connected to a stack inlet and an anode recirculation line (109) connected to a stack outlet and opening into the anode supply line (107), a Roots fan (118) being flow-mechanically integrated into the anode recirculation line (109), comprising the steps: - Operation of the Roots blower (118) in normal operation with a conveying direction directed towards the stack inlet, and - Switching the operation of the Roots blower (118) to reverse operation with a conveying direction directed towards the stack outlet. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erfassen eines Abschaltbefehls des Brennstoffzellensystems (100) die Zufuhr von frischem Brennstoff gestoppt und die Förderrichtung des Rootsgebläses (118) umgekehrt wird.procedure after claim 1 , characterized in that when a shutdown command of the fuel cell system (100) is detected, the supply of fresh fuel is stopped and the conveying direction of the Roots fan (118) is reversed. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrung der Förderrichtung zeitlich unmittelbar vor einem endgültigen Abstellen des Brennstoffzellensystems (100) erfolgt.procedure after claim 2 , characterized in that the reversal of the conveying direction takes place immediately before the fuel cell system (100) is finally switched off. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrichtung des Rootsgebläses (118) beim Erfassen einer Down-Transiente für eine vorbestimmte Dauer umgekehrt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the conveying direction of the Roots fan (118) is reversed for a predetermined period upon detection of a down transient. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rootsgebläse (118) beim Erfassen einer Up-Transiente - auch vor Ablauf der vorbestimmten Dauer - wieder in den Normalbetrieb mit der zum Stapeleinlass gerichteten Förderrichtung umgeschaltet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the Roots blower (118) is switched back to normal operation with the conveying direction directed towards the stack inlet when an up transient is detected—even before the end of the predetermined duration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkehrbetrieb dann gestartet wird, wenn der Betrag einer Differenz aus einem Druck am Stapeleinlass (114) und einem Druck am Stapelauslass (116) einen Grenzwert überschreitet.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the reverse operation is started when the amount of a difference between a pressure at the stack inlet (114) and a pressure at the stack outlet (116) exceeds a limit value. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkehrbetrieb beendet und der Normalbetrieb gestartet wird, sobald der Grenzwert nicht mehr überschritten wird.procedure after claim 6 , characterized in that the reverse operation ends and normal operation is started as soon as the limit value is no longer exceeded. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkehrbetrieb dann gestartet wird, wenn am Stapelauslass (116) eine Feuchtegrenzwert überschritten wird.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the reverse operation is started when a moisture limit value is exceeded at the stack outlet (116). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkehrbetrieb beendet und der Normalbetrieb gestartet wird, sobald der Feuchtegrenzwert nicht mehr überschritten wird.procedure after claim 8 , characterized in that the reverse operation is ended and normal operation is started as soon as the humidity limit value is no longer exceeded. Brennstoffzellensystem (100) mit einem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichteten Steuergerät.Fuel cell system (100) with a for carrying out a method according to one of Claims 1 until 6 configured control unit.
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