DE102021124176B3 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device - Google Patents

Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), mit einem Verdichter (18) zur Kathodengasversorgung und mit einer stromab des Verdichters (18) sowie stromauf des Brennstoffzellenstapels (3) angeordneten, ein Regelventil (7) aufweisenden Bypassleitung (6), umfassend die Schritte:a) Durchführung einer Messung zur Erkennung, ob ein Austrag von flüssigem Wasser aus einem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels (3) erforderlich ist,b) Erhöhung des Luftmassenstroms durch den Verdichter (18) und Aufteilung des Luftmassenstromes in einen Stapel-Luftmassenstrom (21) und einen Bypass- Luftmassenstrom durch Öffnen des Regelventils (7) derart, dass der Stapel-Luftmassenstrom (21) konstant bleibt gegenüber der Größe vor der Erhöhung,c) Aufprägung einer Pulsation (22) auf den Stapel-Luftmassenstrom (21) durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Regelventils (7) in der Bypassleitung (6),d) Reduzierung des Luftmassenstromes auf den für den gegebenenBetriebspunkt erforderlichen Wert.Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for operating a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3), with a compressor (18) for supplying cathode gas and with a control valve (7) arranged downstream of the compressor (18) and upstream of the fuel cell stack (3). having a bypass line (6), comprising the steps of:a) performing a measurement to determine whether it is necessary to discharge liquid water from a cathode channel of the fuel cell stack (3),b) increasing the air mass flow through the compressor (18) and dividing the air mass flow into a stack air mass flow (21) and a bypass air mass flow by opening the control valve (7) in such a way that the stack air mass flow (21) remains constant compared to the size before the increase, c) imparting a pulsation (22) to the stack -Air mass flow (21) by repeated opening and closing of the control valve (7) in the bypass line (6),d) reduction of the air mass flow omes to the value required for the given operating point. The invention also relates to a fuel cell device (1) and a motor vehicle with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, mit einem Verdichter zur Kathodengasversorgung und mit einer stromab des Verdichters sowie stromauf des Brennstoffzellenstapels angeordneten, ein Regelventil aufweisenden Bypassleitung, umfassend die Schritte:

  1. a) Durchführung einer Messung zur Erkennung, ob ein Austrag von flüssigem Wasser aus einem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist,
  2. b) Erhöhung des Luftmassenstroms durch den Verdichter und Aufteilung des Luftmassenstromes in einen Stapel-Luftmassenstrom und einen Bypass-Luftmassenstrom durch Öffnen des Regelventils derart, dass der Stapel-Luftmassenstrom konstant bleibt gegenüber der Größe vor der Erhöhung,
  3. c) Aufprägung einer Pulsation auf den Stapel-Luftmassenstrom durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Regelventils in der Bypassleitung,
  4. d) Reduzierung des Luftmassenstromes auf den für den gegebenen Betriebspunkt erforderlichen Wert.
The invention relates to a method for operating a fuel cell device with a fuel cell stack, with a compressor for supplying cathode gas and with a bypass line which is arranged downstream of the compressor and upstream of the fuel cell stack and has a control valve, comprising the steps:
  1. a) carrying out a measurement to determine whether it is necessary to discharge liquid water from a cathode channel of the fuel cell stack,
  2. b) increasing the air mass flow through the compressor and dividing the air mass flow into a stack air mass flow and a bypass air mass flow by opening the control valve in such a way that the stack air mass flow remains constant compared to the size before the increase,
  3. c) Impressing a pulsation on the stack air mass flow by repeatedly opening and closing the control valve in the bypass line,
  4. d) Reduction of the air mass flow to the value required for the given operating point.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention also relates to a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodeneinheit, 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 Membranelektrodeneinheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 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. In den Kathodenkanälen des Brennstoffzellenstapels kann sich dadurch Wasser ansammeln, das den Gastransport behindert. Dieses Wasser muss entfernt werden, was durch einen hohen Luftmassenstrom erzwungen werden kann, der aber auch einen großen Verdichter und viel elektrische Energie erfordert.Fuel cell devices 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 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 unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell device 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 electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The protons H + are transported (with or without water) from the anode compartment to the cathode compartment via the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and isolates 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 supplied to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place, taking up the electrons. At the same time, in the cathode compartment, these oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water. As a result, water can collect in the cathode channels of the fuel cell stack and impede gas transport. This water has to be removed, which can be forced by a high air mass flow, but also requires a large compressor and a lot of electrical energy.

In der DE 10 2011 084 351 A1 ist eine Trocknungseinrichtung für eine Batteriezelle beschrieben, in der ein Trockenmittel genutzt wird, mit dem Wasser aus Gas aufnehmbar ist, wobei das Trockenmittel durch eine Heizeinrichtung wieder getrocknet werden kann. Die DE 10 2013 211 261 A1 beschreibt einen Kühlkreislauf zur Kühlung von Lithium-Ionen-Batterien mit einem Kühlfluid, dessen Durchflussmenge durch einen Kondensator durch einen Bypass geregelt wird. In der DE 10 2015 004 732 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Folie mit einer geringen Restfeuchte offenbart, bei dem die Folie durch einen Trockenofen gefördert wird, während diese durch zwei an der Oberseite und der Unterseite des Trockenofens angeordnete Ultraschall-Vibrationsplatten berührungslos in einer vorgegebenen vertikalen Durchlaufposition gehalten wird.In the DE 10 2011 084 351 A1 describes a drying device for a battery cell, in which a desiccant is used with which water can be absorbed from gas, the desiccant being able to be dried again by a heating device. the DE 10 2013 211 261 A1 describes a cooling circuit for cooling lithium-ion batteries with a cooling fluid whose flow rate is regulated by a capacitor through a bypass. In the DE 10 2015 004 732 A1 discloses a method for producing a film with a low residual moisture content, in which the film is conveyed through a drying oven while being held in a predetermined vertical passage position without contact by two ultrasonic vibrating plates arranged at the top and bottom of the drying oven.

Die US 2018/034083 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, welches mit einem Spülventil und einer dem Spülventil zugewiesenen Steuerung ausgerüstet ist. Mit Hilfe der Steuerung kann die Stärke des Spülens verändert werden.the U.S. 2018/034083 A1 describes a fuel cell system equipped with a purge valve and a controller associated with the purge valve. The intensity of the rinsing can be changed with the help of the control.

In der DE 10 2019 217 877 A1 wir ein Brennstoffzellensystem mit einem Schwingungsgenerator beschrieben, mit welchem der Brennstoffzellenstapel auf besonders einfache, kostengünstige, sichere und schnelle Art und Weise in einen Schwingungszustand zu versetzen und damit einen effizienten und störungsfreien Betrieb mit einem angemessenen Wassergehalt sicherzustellen.In the DE 10 2019 217 877 A1 we describe a fuel cell system with a vibration generator, with which the fuel cell stack can be brought into a vibration state in a particularly simple, inexpensive, safe and quick manner and thus ensure efficient and trouble-free operation with an appropriate water content.

Die DE 10 2012 007 377 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei dem im Bereich der Luftströmung zu und/oder von dem Kathodenraum eine Pulsationseinrichtung angeordnet ist, durch welche der Druck, Geschwindigkeit und/oder Volumenstrom der Luftströmung pulsierend veränderbar sind, um insbesondere bei niedrigen elektrischen Lasten den Impuls zum Austrag des flüssigen Wassers aus dem Kathodenraum und den in Strömungsrichtung nach dem Kathodenraum folgenden Leitungen und Komponenten des Brennstoffzellensystems zeitweise zu erhöhen.the DE 10 2012 007 377 A1 describes a fuel cell system in which a pulsation device is arranged in the area of the air flow to and/or from the cathode chamber, by means of which the pressure, speed and/or volume flow of the air flow can be changed in a pulsating manner, in order to generate the impulse for the discharge of the liquid, particularly at low electrical loads To temporarily increase water from the cathode compartment and the following lines and components of the fuel cell system in the direction of flow after the cathode compartment.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Austragung von kathodenseitig vorhandenem Wasser einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to specify an improved method for removing water present on the cathode side of a fuel cell device. It is a further object of the invention to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 9 and by a motor vehicle having the features of claim 10.

Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren bietet den Vorteil eines schnellen Wasseraustrags aus dem Kathodenkanal eines Brennstoffzellenstapels, da durch eine pulsierende Luftsäule im Stapel die Wasseraustrags-Rate effizienter gesteigert wird als mit einem bloß höheren statischen Luftmassenstrom. Es wird daher weniger Zeit benötigt, um eine gegebene Wassermenge auszutragen, so dass auch die Zeitdauer für die Abweichung vom Regel-/Normalbetrieb reduziert ist. Günstig ist auch, dass der Verdichter nicht nur für einen höheren statischen Luftmassenstrom vergrößert bereit gehalten werden muss. Nach einer Überprüfung, ob kein Flüssigwasser mehr vorhanden ist, wird sodann wieder der ursprüngliche Zustand eingestellt oder entsprechend der Anforderung in dem gewünschten Betriebspunkt.The method mentioned at the outset offers the advantage of rapid water discharge from the cathode channel of a fuel cell stack, since the water discharge rate is increased more efficiently by a pulsating air column in the stack than with a merely higher static air mass flow. Less time is therefore required to discharge a given amount of water, so that the length of time for the deviation from regular/normal operation is also reduced. It is also beneficial that the compressor does not only have to be kept larger for a higher static air mass flow. After checking whether there is no more liquid water, the original state is then set again or, according to the requirement, at the desired operating point.

Vorteilhaft ist dabei, wenn vor der Reduzierung des Luftmassenstromes eine erneute Messung durchgeführt wird, um zu erkennen, ob ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist, und dass erforderlichenfalls das Aufprägen der Pulsation wiederholt wird. So wird vermieden, dass stets eine sehr lange Pulsation durchgeführt werden muss, deren Länge in jedem Fall einen ausreichenden Wasseraustrag gewährleistet was aber gleichfalls möglich ist.It is advantageous if a new measurement is carried out before the air mass flow is reduced in order to determine whether it is necessary to discharge liquid water from the cathode channel of the fuel cell stack and, if necessary, to repeat the application of the pulsation. In this way, it is avoided that a very long pulsation always has to be carried out, the length of which ensures sufficient water discharge in any case, which is also possible.

Vorgesehen ist, dass für die Messung im Schritt a) überprüft wird, ob der Druckverlust im Brennstoffzellenstapel über einen Sollwert erhöht ist. Alternativ oder ergänzend kann auch für die Messung im Schritt a) eine Impedanzmessung durchgeführt und/oder für die Messung im Schritt a) die Zellspannungen der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel überprüft werden, ob diese temporär absinken.Provision is made for the measurement in step a) to check whether the pressure drop in the fuel cell stack has increased above a setpoint value. Alternatively or additionally, an impedance measurement can also be carried out for the measurement in step a) and/or the cell voltages of the fuel cells in the fuel cell stack can be checked for the measurement in step a) to determine whether they are temporarily falling.

Zweckmäßig ist es, wenn das Verfahren bei Vorliegen von Lastrampen bei der Leistungsanforderung initiiert wird, da dann sowieso ein erhöhter Luftmassenstrom erforderlich wird, der lediglich etwas früher bereit gestellt wird.It is expedient if the method is initiated when there are load ramps when there is a demand for power, since then an increased air mass flow is required anyway, which is only made available somewhat earlier.

Die Pulsation kann durch den Öffnungsgrad des Regelventils und/oder die Öffnungsdauer und/oder die Anzahl der Wiederholungen eingestellt werden, und zwar auch in Abhängigkeit der vorliegenden Wassermenge, so dass für die Einstellung der Pulsation die Menge des im Schritt a) erfassten flüssigen Wassers berücksichtigt wird.The pulsation can be adjusted by the degree of opening of the control valve and/or the opening duration and/or the number of repetitions, also depending on the amount of water present, so that the amount of liquid water detected in step a) is taken into account for adjusting the pulsation becomes.

Das erfindungsgemäße Verfahren entfaltet seine Vorteile und Wirkungen beim Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einem Steuergerät ausgestattet ist, welches zur Durchführung der vorstehend geschilderten Verfahren ausgebildet ist. Die Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.The method according to the invention unfolds its advantages and effects when used in a fuel cell device according to the invention, which is equipped with a control unit which is designed to carry out the method described above. The advantages and advantageous configurations of the method according to the invention and the fuel cell device according to the invention apply equally to the motor vehicle according to the invention.

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 zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine Darstellung der Druckänderung in Abhängigkeit des Luftmassenstromes, und
  • 3 eine zeitabhängige Darstellung des Luftmassenstromes des Verdichters (punktierte Linie) und im Brennstoffzellenstapel (gestrichelte Linie).
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. It shows:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 a representation of the pressure change as a function of the air mass flow, and
  • 3 a time-dependent representation of the air mass flow of the compressor (dotted line) and in the fuel cell stack (dashed line).

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 gezeigt. 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 gebildet.In the 1 a fuel cell device 1 with a plurality of fuel cells 2 combined in a fuel cell stack 3 is shown schematically. 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.

Den Anoden und/oder den Kathoden ist zusätzlich ein Katalysator beigemischt, 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 elektrochemischen Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen. Alternativ kann auch eine Ausbildung der Brennstoffzelle 2 mit einer Gasdiffusionselektrode erfolgen, bei der die Elektrode mit der Katalysatorschicht einer Gasdiffusionslage zugeordnet ist, die für eine verbesserte Gleichverteilung der Reaktanten der elektrochemischen Reaktion dient.A catalyst is also 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. which serve as a reaction accelerator in the electrochemical reaction of the respective fuel cell 2. Alternatively, the fuel cell 2 can also be designed with a gas diffusion electrode, in which the electrode with the catalyst layer is assigned to a gas diffusion layer, which is used for an improved uniform distribution of the reactants of the electrochemical reaction.

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 aufgespaltet. 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 anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) from a fuel tank 13 via an anode space. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through but is impermeable to the electrons. At the anode, for example, the reaction takes place: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit.

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

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodenfrischgas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodenfrischgases sich dessen Temperatur stark erhöht. Der Verdichter 18 umfasst dabei typischerweise eine Welle, die von einem Turbinenrad abgasgetrieben umläuft. Diese Welle treibt zur Ansaugung von Frischgas ein Verdichterrad an. Zusätzlich kann eine Unterstützung durch einen Motor 17 erfolgen. Die Konditionierung des Kathodenfrischgases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgeschalteten Wärmetauscher 5 und einem dem Wärmetauscher 5 nachgeschalteten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Since several fuel cells 2 are combined in the fuel cell stack 3, a sufficiently large quantity of fresh cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided by a compressor 18, with the temperature of the cathode fresh gas increasing greatly as a result of the compression of the cathode fresh gas. The compressor 18 typically includes a shaft which rotates, driven by exhaust gas, by a turbine wheel. This shaft drives a compressor wheel to suck in fresh gas. In addition, support can be provided by a motor 17. The conditioning of the cathode fresh gas or the fresh air gas flow, i.e. its adjustment with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack 3, takes place in a heat exchanger 5 downstream of the compressor 18 and in a humidifier 4 downstream of the heat exchanger 5, which causes moisture saturation of the membranes of the fuel cells 2 to increase whose efficiency causes, as this favors the proton transport.

Zu beachten ist aber auch, dass sich nicht zuviel Wasser in den Kathodenkanälen ansammelt, da dies die Zufuhr und Verteilung des Kathodengases, also der Luft behindert. Es wird daher durchgeführt, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 3, mit einem Verdichter 18 zur Kathodengasversorgung und mit einer stromab des Verdichters 18 sowie stromauf des Brennstoffzellenstapels 3 angeordneten, ein Regelventil 7 aufweisenden Bypassleitung 6, umfassend die Schritte:

  1. a) Durchführung einer Messung zur Erkennung, ob ein Austrag von flüssigem Wasser aus einem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels 3 erforderlich ist,
  2. b) Erhöhung des Luftmassenstroms durch den Verdichter 18 und Aufteilung des Luftmassenstromes in einen Stapel-Luftmassenstrom 21 und einen Bypass-Luftmassenstrom durch Öffnen des Regelventils 7 derart, dass der Stapel-Luftmassenstrom 21 konstant bleibt gegenüber der Größe vor der Erhöhung,
  3. c) Aufprägung einer Pulsation 22 auf den Stapel-Luftmassenstrom 21 durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Regelventils 7 in der Bypassleitung 6,
  4. d) Reduzierung des Luftmassenstromes auf den für den gegebenen Betriebspunkt erforderlichen Wert.
However, it should also be ensured that not too much water collects in the cathode channels, as this impedes the supply and distribution of the cathode gas, i.e. the air. A method is therefore carried out for operating a fuel cell device 1 with a fuel cell stack 3, with a compressor 18 for supplying cathode gas and with a bypass line 6 which is arranged downstream of the compressor 18 and upstream of the fuel cell stack 3 and has a control valve 7, comprising the steps:
  1. a) carrying out a measurement to determine whether it is necessary to discharge liquid water from a cathode channel of the fuel cell stack 3,
  2. b) increasing the air mass flow through the compressor 18 and dividing the air mass flow into a stack air mass flow 21 and a bypass air mass flow by opening the control valve 7 in such a way that the stack air mass flow 21 remains constant compared to the size before the increase,
  3. c) Impressing a pulsation 22 on the stack air mass flow 21 by repeatedly opening and closing the control valve 7 in the bypass line 6,
  4. d) Reduction of the air mass flow to the value required for the given operating point.

Zunächst wird also bei Vorliegen von Wasser der Luftmassenstrom 21 über die Bypassleitung 6 bei identischem Stapel-Luftmassenstrom erhöht (3, b). Anschließend wird über die Bypassleitung 6 eine Pulsation 22 (3, c) aufgeprägt. Diese kann dann sehr schnell durch Öffnen und Schließen des Regelventils 7 eingestellt werden, insbesondere viel schneller, als wenn über die Drehzahl des Verdichters 18 die Pulsation 22 eingestellt werden würde. Dabei kann die Pulsation 22 durch den Öffnungsgrad des Regelventils 7 und/oder die Öffnungsdauer und/oder die Anzahl der Wiederholungen eingestellt werden, wobei auch die Menge des im Schritt a) erfassten flüssigen Wassers berücksichtigt wird. Im Brennstoffzellenstapel 3 wird das Flüssigwasser ausgetragen und der Kathodenabluft zugeführt (1).First of all, when water is present, the air mass flow 21 is increased via the bypass line 6 with an identical stack air mass flow ( 3 , b). A pulsation 22 ( 3, c ) imprinted. This can then be set very quickly by opening and closing the control valve 7 , in particular much more quickly than if the pulsation 22 were set via the speed of the compressor 18 . In this case, the pulsation 22 can be adjusted by the degree of opening of the control valve 7 and/or the opening duration and/or the number of repetitions, the quantity of liquid water detected in step a) also being taken into account. In the fuel cell stack 3, the liquid water is discharged and fed to the cathode exhaust air ( 1 ).

Aus 3 ist auch ersichtlich, dass vor der Reduzierung des Luftmassenstromes eine erneute Messung gemäß Schritt a) durchgeführt wird, um zu erkennen, ob ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels 3 weiterhin erforderlich ist, wobei erforderlichenfalls das Aufprägen der Pulsation 22 in c) wiederholt wird.Out of 3 It can also be seen that before the air mass flow is reduced, another measurement according to step a) is carried out in order to detect whether it is still necessary to discharge liquid water from the cathode channel of the fuel cell stack 3, with the imposition of the pulsation 22 in c) being repeated if necessary becomes.

Für die Messung im Schritt a) kann überprüft werden, ob der Druckverlust bei einem gegebenen Stapel-Luftmassenstrom 21 im Brennstoffzellenstapel 3 über einen Sollwert entsprechend der gepunkteten Linie erhöht ist (2), wobei die Wirkung der Pulsation 22 aus der Senkung des Ist-Wertes X vor der Pulsation 22 auf den Ist-Wert O nach der Pulsation 22 ersichtlich ist. Alternativ oder auch in Kombination kann für die Messung im Schritt a) eine Impedanzmessung durchgeführt oder die Zellspannungen der Brennstoffzellen 2 im Brennstoffzellenstapel 3 überprüft werden, ob diese temporär absinken.For the measurement in step a), it can be checked whether the pressure loss at a given Stack air mass flow 21 in the fuel cell stack 3 is increased above a target value corresponding to the dotted line ( 2 ), the effect of the pulsation 22 being evident from the reduction in the actual value X before the pulsation 22 to the actual value O after the pulsation 22. Alternatively or also in combination, an impedance measurement can be carried out for the measurement in step a) or the cell voltages of the fuel cells 2 in the fuel cell stack 3 can be checked to see whether they drop temporarily.

Ergibt sich, dass ausreichend Wasser ausgetragen wurde, dann wird im Schritt d) in den Regelbetrieb zurück gekehrt und die Erhöhung des Luftmassenstromes durch den Verdichter 18 beendet (3).If it is found that sufficient water has been discharged, then in step d) there is a return to normal operation and the increase in the air mass flow through the compressor 18 is ended ( 3 ).

Das Verfahren kann bei Vorliegen von Lastrampen bei der Leistungsanforderung initiiert werden, da dann sowieso eine Anpassung der Betriebspunkte erforderlich ist und lediglich der eingestellte und durch den Verdichter 18 bereit gestellte Luftmassenstrom dem tatsächlich Benötigten zeitlich etwas voraus eilt.The method can be initiated when there are load ramps when there is a demand for power, since the operating points then need to be adjusted anyway and only the air mass flow that is set and made available by the compressor 18 is somewhat ahead of what is actually required.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 und ein mit einer solchen ausgestattetes Kraftfahrzeug weisen in ihrem Regelbetrieb eine verbesserte Effizienz auf, da luftseitig für den Wasseraustrag kein drastisch vergrößerter Verdichter 18 mit einem hohen Verbrauch an elektrischer Energie erforderlich ist.A fuel cell device 1 and a motor vehicle equipped with such a device have improved efficiency in their regular operation, since a drastically enlarged compressor 18 with a high consumption of electrical energy is not required on the air side for the water discharge.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellefuel cell
33
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
44
Befeuchterhumidifier
55
Wärmetauscherheat exchanger
66
Bypassleitungbypass line
77
Regelventilcontrol valve
88th
Frischluftdosierventilfresh air metering valve
99
Frischluftleitungfresh air line
1010
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
1111
Kathodenabgasventilcathode exhaust valve
1212
Brennstoffleitungfuel line
1313
Brennstofftankfuel tank
1414
Rezirkulationsleitungrecirculation line
1515
Rezirkulationsgebläserecirculation fan
1616
Kathodenabluftcathode exhaust
1717
Motorengine
1818
Verdichtercompressor
1919
Brennstoffdosierventilfuel metering valve
2020
Wasserabscheiderwater separator
2121
Stapel-LuftmassenstromStack Air Mass Flow
2222
Pulsationpulsation
XX
Ist-Wert vor 22Actual value before 22
OO
Ist-Wert nach 22Actual value after 22

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), mit einem Verdichter (18) zur Kathodengasversorgung und mit einer stromab des Verdichters (18) sowie stromauf des Brennstoffzellenstapels (3) angeordneten, ein Regelventil (7) aufweisenden Bypassleitung (6), umfassend die Schritte: a) Durchführung einer Messung zur Erkennung, ob ein Austrag von flüssigem Wasser aus einem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels (3) erforderlich ist, b) Erhöhung des Luftmassenstroms durch den Verdichter (18) und Aufteilung des Luftmassenstromes in einen Stapel-Luftmassenstrom (21) und einen Bypass- Luftmassenstrom durch Öffnen des Regelventils derart, dass der Stapel-Luftmassenstrom (21) konstant bleibt gegenüber der Größe vor der Erhöhung, c) Aufprägung einer Pulsation (22) auf den Stapel-Luftmassenstrom (21) durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Regelventils (7) in der Bypassleitung (6), d) Reduzierung des Luftmassenstromes auf den für den gegebenen Betriebspunkt erforderlichen Wert.Method for operating a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3), with a compressor (18) for supplying cathode gas and with a bypass line (6 ), comprising the steps: a) carrying out a measurement to determine whether it is necessary to discharge liquid water from a cathode channel of the fuel cell stack (3), b) increasing the air mass flow through the compressor (18) and dividing the air mass flow into a stack air mass flow (21) and a bypass air mass flow by opening the control valve in such a way that the stack air mass flow (21) remains constant compared to the size before the increase , c) Impressing a pulsation (22) on the stack air mass flow (21) by repeatedly opening and closing the control valve (7) in the bypass line (6), d) Reduction of the air mass flow to the value required for the given operating point. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Reduzierung des Luftmassenstromes eine erneute Messung durchgeführt wird, um zu erkennen, ob ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels (3) erforderlich ist, und dass erforderlichenfalls das Aufprägen der Pulsation (22) wiederholt wird.procedure after claim 1 , characterized in that before the air mass flow is reduced, another measurement is carried out in order to detect whether it is necessary to discharge liquid water from the cathode channel of the fuel cell stack (3) and that, if necessary, the application of the pulsation (22) is repeated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung im Schritt a) überprüft wird, ob der Druckverlust im Brennstoffzellenstapel (3) über einen Sollwert erhöht ist.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that it is checked for the measurement in step a) whether the pressure loss in the fuel cell stack (3) is increased above a target value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung im Schritt a) eine Impedanzmessung durchgeführt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that an impedance measurement is carried out for the measurement in step a). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung im Schritt a) die Zellspannungen der Brennstoffzellen (2) im Brennstoffzellenstapel (3) überprüft werden, ob diese temporär absinken.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that for the measurement in step a) the cell voltages of the fuel cells (2) in the fuel cell stack (3) are checked to see whether they drop temporarily. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei Vorliegen von Lastrampen bei der Leistungsanforderung initiiert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that this is initiated in the presence of load ramps in the power requirement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsation (22) durch den Öffnungsgrad des Regelventils (7) und/oder die Öffnungsdauer und/oder die Anzahl der Wiederholungen eingestellt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the pulsation (22) is adjusted by the degree of opening of the control valve (7) and/or the opening duration and/or the number of repetitions. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einstellung der Pulsation (22) die Menge des im Schritt a) erfassten flüssigen Wassers berücksichtigt wird.procedure after claim 7 , characterized in that the amount of liquid water detected in step a) is taken into account for setting the pulsation (22). Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgelegt ist.Fuel cell device (1) with a control unit for carrying out a method according to one of Claims 1 until 8th is designed. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.Motor vehicle with a fuel cell device (1). claim 9 .
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