DE102022101359B4 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen (2) gebildet ist, von denen mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle (2) eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel (3) angeordneten Brennstoffzellen (2) eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals (7) aufweist zur Beeinflussung der Durchströmung eines Kühlmittels, umfassend die Schritte:a) Messung der elektrischen Spannung jeder einzelnen Brennstoffzelle (2) des Brennstoffzellenstapels (3) und Erfassung der kumulierten Zeiten einer Zellumpolung mit einer elektrischen Spannung kleiner als Null Volt für jede der Brennstoffzellen (2),b) Beeinflussung eines Restwassergehaltes mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle (2, 15) bei einem Abstellvorgang durch Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals (7),c) bei Vorliegen von Froststartbedingungen bei einem Neustart, Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals (7) mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle (2, 15) derart, dass die in dem Schritt a) bestimmten Brennstoffzellen (2) mit einer größeren kumulierten Zeit der Zellumpolung weniger dem Risiko einer erneuten Zellumpolung ausgesetzt werden.Method for operating a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3) which is formed from a plurality of fuel cells (2), of which at least one fuel cell (2) arranged on an edge has a different structure of a coolant channel (7) compared to the fuel cells (2) arranged centrally in the fuel cell stack (3) for influencing the flow of a coolant, comprising the steps: a) measuring the electrical voltage of each individual fuel cell (2) of the fuel cell stack (3) and recording the cumulative times of a cell polarity reversal with an electrical voltage of less than zero volts for each of the fuel cells (2), b) influencing a residual water content of at least the fuel cell (2, 15) arranged on an edge during a shutdown process by influencing the flow through the coolant channel (7), c) in the event of frost start conditions during a restart, influencing the flow through the coolant channel (7) of at least the fuel cell (2, 15) arranged on an edge in such a way that the values determined in step a) Fuel cells (2) with a longer cumulative time of cell reversal are less exposed to the risk of repeated cell reversal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, von denen mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals aufweist zur Beeinflussung der Durchströmung eines Kühlmittels, umfassend die Schritte:

  1. a) Messung der elektrischen Spannung jeder einzelnen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels und Erfassung der kumulierten Zeiten einer Zellumpolung mit einer elektrischen Spannung kleiner als Null Volt (0 V) für jede der Brennstoffzellen,
  2. b) Beeinflussung eines Restwassergehaltes mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle bei einem Abstellvorgang durch Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals,
  3. c) bei Vorliegen von Froststartbedingungen bei einem Neustart, Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle derart, dass die in dem Schritt a) bestimmten Brennstoffzellen mit einer größeren kumulierten Zeit der Zellumpolung weniger dem Risiko einer erneuten Zellumpolung ausgesetzt werden.
The invention relates to a method for operating a fuel cell device with a fuel cell stack which is formed from a plurality of fuel cells, of which at least one fuel cell arranged at an edge has a different structure of a coolant channel compared to the fuel cells arranged centrally in the fuel cell stack for influencing the flow of a coolant, comprising the steps:
  1. a) measuring the electrical voltage of each individual fuel cell of the fuel cell stack and recording the cumulative times of cell polarity reversal with an electrical voltage less than zero volts (0 V) for each of the fuel cells,
  2. b) influencing the residual water content of at least one fuel cell arranged at one edge during a shutdown process by influencing the flow through the coolant channel,
  3. c) in the event of frost start conditions during a restart, influencing the flow through the coolant channel of at least the fuel cell arranged at one edge in such a way that the fuel cells determined in step a) with a longer cumulative time of cell reversal are less exposed to the risk of renewed cell reversal.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung. The invention further 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 Membran-Elektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich einer Anode und einer Kathode, ist. 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. Die Membran lässt die Protonen H+ hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen e-. An der Anode erfolgt dabei die Wasserstoffdissoziation gemäß folgender Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).Fuel cell devices are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen to 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 arranged on either side of the membrane, namely an anode and a cathode. When the fuel cell device is in operation 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. The membrane allows the protons H + to pass through, but is impermeable to the electrons e - . At the anode, hydrogen dissociation takes place according to the following reaction: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/electron release).

Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Kathoden Kathodengas, (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme), wobei im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen reagieren unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode via an external circuit. Cathode gas (for example oxygen or oxygen-containing air) is supplied to the cathodes via cathode chambers within the fuel cell stack, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction/electron absorption), whereby in the cathode chamber the oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water. This water must be led out of the fuel cell and the fuel cell stack until a humidity level is reached that is required to operate the fuel cell system.

Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen daher ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum Einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss.Fuel cell devices therefore require careful water management, as it is necessary to prevent too much water from being in the fuel cell or fuel cell stack, which would block the flow channels for the supply of reactants. On the other hand, if there is too little water in the fuel cell, the proton conductivity of the membrane is limited, so care must be taken to ensure that the membrane is sufficiently moist and water-supplied.

Problematisch ist es, wenn bei einem Start des Brennstoffzellensystems Frostbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Dies kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktantengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Um diesem Zustand vorzubeugen, ist es bekannt, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems den Brennstoffzellenstapel zu trocknen, so dass eine Restmenge an Wasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels unterschritten wird. Wird dies jedoch nicht erreicht, also die geforderte Restwassermenge nicht unterschritten, droht die Gefahr einer Zellumpolung, die auftritt, wenn durch zu viel Wasser im Anodenkanal eine ausreichende Versorgung mit Wasserstoff nicht möglich ist und die zuvor genannte Reaktion der Wasserstoffdissoziation nicht ablaufen kann und eine Reaktion über Ersatzmechanismen erfolgt, die in der Regel durch Wasserdissoziation und Kohlenstoffkorrosion gemäß 2 H2O → 4 H+ + 4e- + O2 sowie C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e- gebildet sind und somit zu einer Degradation der Brennstoffzellen beitragen. In einem Brennstoffzellenstapel können dabei insbesondere immer dieselben Brennstoffzellen betroffen sein, die dadurch verstärkt geschädigt werden.It is problematic if frost conditions exist when the fuel cell system is started up, i.e. conditions in which water freezes. This can lead to the required flow channels for the reactant gases and the product water being blocked by ice. To prevent this situation, it is known to dry the fuel cell stack when the fuel cell system is switched off so that the residual amount of water within the fuel cell stack is below the required level. However, if this is not achieved, i.e. the required residual water quantity is not exceeded, there is a risk of cell polarity reversal, which occurs when an adequate supply of hydrogen is not possible due to too much water in the anode channel and the aforementioned hydrogen dissociation reaction cannot take place and a reaction takes place via replacement mechanisms, which are usually formed by water dissociation and carbon corrosion according to 2 H 2 O → 4 H + + 4e - + O 2 and C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e - and thus contribute to degradation of the fuel cells. In a fuel cell stack, the same fuel cells can always be affected, which can then be damaged even more.

In der DE 102 36 998 A1 und der DE 10 2019 128 426 A1 wird beschrieben, wie für eine elektrochemische Zelle durch ein den Strömungsquerschnitt veränderndes Element die Kanalstruktur für Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr eines Fluids geändert werden kann. Die DE 10 2014 205 543 A1 offenbart eine durch ein Paar profilierter Platten gebildete Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei zumindest eine der Platten auf ihrer Kühlmittelseite ein Material zur Verringerung eines Kanalvolumens der Kanäle zum Transport von Kühlmittel aufweist. Die DE 11 2005 001 086 B4 nutzt eine Kühlmittelströmungsfeldgeometrie zum Lenken von Kühlmittel für eine Brennstoffzelle, wobei mehrere Einlassschenkel unterschiedlicher Länge vorliegen, von denen Sätze verzweigter Schenkel abzweigen, die derart dimensioniert sind, dass die Kühlmittelströmung gezielt eingestellt wird.In the DE 102 36 998 A1 and the EN 10 2019 128 426 A1 describes how the channel structure for supply, circulation and discharge of a fluid can be changed for an electrochemical cell by an element that changes the flow cross-section. The EN 10 2014 205 543 A1 reveals a through a A bipolar plate for a fuel cell formed by a pair of profiled plates, wherein at least one of the plates has on its coolant side a material for reducing a channel volume of the channels for transporting coolant. The EN 11 2005 001 086 B4 uses a coolant flow field geometry to direct coolant for a fuel cell, with multiple inlet legs of varying lengths branching off from sets of branched legs sized to specifically adjust the coolant flow.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Degradation eines Brennstoffzellenstapels verlangsamt wird. Aufgabe ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a method with which the degradation of a fuel cell stack is slowed down. It is also the object to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle with a fuel cell device.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 6 and by a motor vehicle having the features of claim 9. Advantageous embodiments with expedient further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Zeiten der Zellumpolung für jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels erfasst und ausgewertet werden, so dass eine stärker belastete Brennstoffzelle identifiziert werden kann. Sowohl die Abstellprozedur als auch ein Froststart können dabei so variiert werden, dass diese stärker belastete Brennstoffzelle geschont wird. Dazu wird der Restwassergehalt im Zuge der Abstellprozedur über die Durchströmung des Brennstoffzellenstapels mit dem Kühlmittel beeinflusst, also beispielsweise durch eine verringerte Durchströmung die Wärmeabfuhr eingeschränkt und so eine höhere Temperatur in der betroffenen Brennstoffzelle erzielt, wodurch das Restwasser besser ausgetragen werden kann, also weniger Restwasser in dieser Brennstoffzelle verbleibt und damit das Risiko einer Zellumpolung sinkt.The method according to the invention is characterized in that the times of cell reversal are recorded and evaluated for each fuel cell in the fuel cell stack so that a more heavily loaded fuel cell can be identified. Both the shutdown procedure and a frost start can be varied so that this more heavily loaded fuel cell is protected. To do this, the residual water content is influenced during the shutdown procedure by the flow of the coolant through the fuel cell stack, for example by reducing the flow of heat and thus achieving a higher temperature in the affected fuel cell, whereby the residual water can be removed more effectively, so that less residual water remains in this fuel cell and the risk of cell reversal is reduced.

Bevorzugt ist dabei, wenn die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals durch eine Verengung des Querschnitts am Eintritt gebildet ist, und über die Einstellung des Volumenstromes des Kühlmittels die Höhe des Restwassergehaltes beeinflusst wird. Durch die Verengung des Querschnitts hat die Brennstoffzelle einen höheren Druckverlust, so dass der Kühlmittelkanal bei geringen Volumenströmen weniger durchströmt wird, was zu der gewünschten Temperaturerhöhung führt. Wird mit einem hohen Volumenstrom gearbeitet, ist der höhere Druckverlust vernachlässigbar und ein verstärkter Wasseraustrag unterbleibt im Vergleich zu der anderen randständigen Brennstoffzelle, so dass das Risiko der Zellumpolung anders verteilt ist gegenüber dem geringen Volumenstrom. Es wird also durch einen geringen Volumenstrom des Kühlmittels während des Schrittes b) weniger Wärme abgeführt und durch die höhere Temperatur mehr Restwasser ausgetragen, während alternativ der Volumenstrom des Kühlmittels so groß gewählt wird, dass ein an der Verengung auftretender Druckabfall vernachlässigbar ist, so dass alle Brennstoffzellen gleichmäßig mit Kühlmittel versorgt werden.It is preferred if the different structure of the coolant channel is formed by a narrowing of the cross section at the inlet, and the level of the residual water content is influenced by adjusting the volume flow of the coolant. Due to the narrowing of the cross section, the fuel cell has a higher pressure loss, so that less water flows through the coolant channel at low volume flows, which leads to the desired increase in temperature. If a high volume flow is used, the higher pressure loss is negligible and increased water discharge is avoided compared to the other peripheral fuel cell, so that the risk of cell polarity reversal is distributed differently than with the low volume flow. A low volume flow of the coolant during step b) therefore dissipates less heat and the higher temperature dissipates more residual water, while alternatively the volume flow of the coolant is chosen to be so large that a pressure drop occurring at the narrowing is negligible, so that all fuel cells are evenly supplied with coolant.

Der geringe Volumenstrom und der hohe Volumenstrom sind dabei durch das Eintreten des zuvor geschilderten Effektes unterschieden und definiert. Die Einstellung kann dabei über die Drehzahl einer Kühlmittelpumpe erfolgen.The low volume flow and the high volume flow are differentiated and defined by the occurrence of the previously described effect. The setting can be made via the speed of a coolant pump.

Alternativ oder auch ergänzend kann die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals eine einstellbare Klappe am Eintritt und/oder Austritt umfassen, und über die Klappeneinstellung der Volumenstrom des Kühlmittels die Höhe des Restwassergehaltes beeinflusst werden.Alternatively or additionally, the different structure of the coolant channel can include an adjustable flap at the inlet and/or outlet, and the level of the residual water content can be influenced via the flap adjustment of the volume flow of the coolant.

Die vorstehend genannten Wirkungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, von denen mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals aufweist, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens, wobei die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals durch eine Verengung des Querschnitts am Eintritt gebildet ist und/oder die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals eine einstellbare Klappe am Eintritt und/oder Austritt umfasst. Die genannten Wirkungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.The above-mentioned effects and advantages also apply mutatis mutandis to a fuel cell device with a fuel cell stack that is formed from a plurality of fuel cells, of which at least one fuel cell arranged at an edge has a different structure of a coolant channel compared to the fuel cells arranged centrally in the fuel cell stack, and with a control device that is set up to carry out a method, wherein the different structure of the coolant channel is formed by a narrowing of the cross section at the inlet and/or the different structure of the coolant channel comprises an adjustable flap at the inlet and/or outlet. The above-mentioned effects and advantages also apply mutatis mutandis to a motor vehicle with such a fuel cell device.

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 in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be regarded as being included and disclosed by the invention that are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be produced from the explained embodiments using 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 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung eines aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte,
  • 4 eine Darstellung des Degradationsgrades in Abhängigkeit von der Zellzahl, strichliert dargestellt für 100 Froststartereignisse, gepunktet für 200 Froststartereignisse und strichpunktiert für 300 Froststartereignisse,
  • 5 eine der 2 entsprechende Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer dem Kühlmittelport zugeordneten Klappe,
  • 6 eine Darstellung der Zeiten negativer Einzelzellspannungen in Abhängigkeit der Zellzahl mit einer häufigen Zellumpolung am Stapelanfang mit niedrigen Zellzahlen (oben) und am Stapelende (unten), und
  • 7 eine der 6 entsprechende Darstellung bei Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and the drawings.
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 a schematic representation of a fuel cell stack formed from a plurality of fuel cells,
  • 3 a schematic representation of a bipolar plate,
  • 4 a representation of the degree of degradation depending on the number of cells, shown dashed for 100 frost start events, dotted for 200 frost start events and dash-dotted for 300 frost start events,
  • 5 one of the 2 corresponding representation of a fuel cell stack with a flap assigned to the coolant port,
  • 6 a representation of the times of negative single cell voltages depending on the cell number with a frequent cell reversal at the beginning of the stack with low cell numbers (top) and at the end of the stack (bottom), and
  • 7 one of the 6 corresponding representation when using the method according to the invention.

In der 1 ist schematisch eine beispielsweise in einem Kraftfahrzeug nutzbare Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst (2), denen über Medienports 6 die zum Betrieb erforderlichen Medien einschließlich des Kühlmittels zugeführt und abgeführt werden.In the 1 A fuel cell device 1 which can be used in a motor vehicle, for example, is shown schematically, wherein said device comprises a plurality of fuel cells 2 combined in a fuel cell stack 3 ( 2 ), to which the media required for operation, including the coolant, are supplied and discharged via media ports 6.

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 made of 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 additionally be mixed into the anodes and/or the cathodes, wherein the membranes are preferably 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 reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell 2.

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.Fuel (for example hydrogen) from a fuel tank 13 can be supplied to the anode via an anode chamber. 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 allows the protons to pass through, but is impermeable to the electrons. The following reaction occurs at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/electron release). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy storage device via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel 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 oxygen-containing air) can be supplied 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 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.Since several fuel cells 2 are combined in the fuel cell stack 3, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided by a compressor 18, whereby the temperature of the cathode gas 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 adjustment with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack 3, takes place in a charge air cooler 5 downstream of the compressor 18 and a humidifier 4 downstream of this, which causes moisture saturation of the membranes of the fuel cells 2 to increase their efficiency, since this promotes proton transport.

Als Besonderheit liegt bei dem Brennstoffzellenstapel 3 die Gestaltung vor, dass von der Vielzahl von Brennstoffzellen 2 mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle 2, also eine Randzelle 17, eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel 3 angeordneten Brennstoffzellen 2 eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals aufweist, die durch eine Verengung des Querschnitts am Eintritt gebildet ist oder alternativ oder ergänzend eine einstellbare Klappe am Eintritt und/oder Austritt umfasst.A special feature of the fuel cell stack 3 is the design that of the plurality of fuel cells 2, at least one fuel cell 2 arranged on an edge, i.e. an edge cell 17, has a different structure of a coolant channel compared to the fuel cells 2 arranged centrally in the fuel cell stack 3, which is formed by a narrowing of the cross section at the inlet or alternatively or additionally comprises an adjustable flap at the inlet and/or outlet.

Mit diesem Aufbau ist die Durchführung eines Verfahrens möglich zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, von denen mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals 7 in einer Bipolarplatte 8 aufweist zur Beeinflussung der Durchströmung eines Kühlmittels, das die Schritte umfasst:

  1. a) Messung der elektrischen Spannung jeder einzelnen Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellenstapels 3 und Erfassung der kumulierten Zeiten einer Zellumpolung mit einer elektrischen Spannung kleiner als 0 V für jede der Brennstoffzellen 2,
  2. b) Beeinflussung eines Restwassergehaltes mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle 2 bei einem Abstellvorgang durch Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals 7,
  3. c) bei Vorliegen von Froststartbedingungen bei einem Neustart, Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals 7 mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle 2 derart, dass die in dem Schritt a) bestimmten Brennstoffzellen 2 mit einer größeren kumulierten Zeit der Zellumpolung weniger dem Risiko einer erneuten Zellumpolung ausgesetzt werden.
With this structure, it is possible to carry out a method for operating a fuel cell device with a fuel cell stack which is formed from a plurality of fuel cells, of which at least one fuel cell arranged at an edge has a different structure of a fuel cell than the fuel cells arranged centrally in the fuel cell stack. coolant channel 7 in a bipolar plate 8 for influencing the flow of a coolant, which comprises the steps:
  1. a) measuring the electrical voltage of each individual fuel cell 2 of the fuel cell stack 3 and recording the cumulative times of cell polarity reversal with an electrical voltage less than 0 V for each of the fuel cells 2,
  2. b) influencing a residual water content of at least the fuel cell 2 arranged at one edge during a shutdown process by influencing the flow through the coolant channel 7,
  3. c) if frost start conditions exist during a restart, influencing the flow through the coolant channel 7 of at least the fuel cell 2 arranged at one edge such that the fuel cells 2 determined in step a) with a longer cumulative time of cell reversal are less exposed to the risk of renewed cell reversal.

Dabei kann über die Einstellung des Volumenstromes des Kühlmittels die Höhe des Restwassergehaltes beeinflusst wird, beispielsweise indem die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals 7 durch eine Verengung des Querschnitts am Eintritt gebildet ist; in der 3 ist schematisch eine Bipolarplatte 8 einer Brennstoffzelle 2 gezeigt mit den zentral verlaufenden Kühlmittelkanälen 7, deren Zulauf modifiziert werden kann. Alternativ oder auch ergänzend umfasst die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals 7 eine einstellbare Klappe 11 am Eintritt und/oder Austritt (5), wobei über die Klappeneinstellung der Volumenstrom des Kühlmittels die Höhe des Restwassergehaltes beeinflusst wird.The level of the residual water content can be influenced by adjusting the volume flow of the coolant, for example by forming the different structure of the coolant channel 7 by narrowing the cross section at the inlet; in the 3 A bipolar plate 8 of a fuel cell 2 is shown schematically with the centrally running coolant channels 7, the inlet of which can be modified. Alternatively or additionally, the different structure of the coolant channel 7 comprises an adjustable flap 11 at the inlet and/or outlet ( 5 ), whereby the volume flow of the coolant is adjusted to influence the level of the residual water content.

Dabei wird durch einen geringen Volumenstrom des Kühlmittels während des Schrittes b) weniger Wärme abgeführt und durch die höhere Temperatur mehr Restwasser ausgetragen, so dass dort dann das Risiko einer Zellumpolung verringert ist.Due to a low volume flow of the coolant during step b), less heat is dissipated and more residual water is removed due to the higher temperature, so that the risk of cell reversal is reduced.

Wird der Volumenstrom des Kühlmittels so groß gewählt, dass ein an der Verengung auftretender Druckabfall vernachlässigbar ist, werden alle Brennstoffzellen 2 gleichmäßig mit Kühlmittel versorgt und die Besserstellung der Brennstoffzellen 2 mit der abweichenden Struktur ist nicht wirksam, so dass eine Angleichung der Zeiten hinsichtlich der Zellumpolung erfolgen kann. Dies ergibt dann die aus 6 ersichtliche Verteilung der Zeiten hinsichtlich der Zellumpolung über die Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellenstapels 3, wobei diese Verteilung deutlich günstiger ist mit einer gleichmäßigen Degradation als die vorbekannte Verteilung gemäß der 7 mit verstärkten Zellumpolungen an einem der Enden des Brennstoffzellenstapels 3.If the volume flow of the coolant is chosen to be so large that a pressure drop occurring at the constriction is negligible, all fuel cells 2 are supplied with coolant evenly and the improvement of the fuel cells 2 with the different structure is not effective, so that an adjustment of the times with regard to the cell reversal can take place. This then results in the 6 apparent distribution of the times with regard to cell polarity reversal across the fuel cells 2 of the fuel cell stack 3, whereby this distribution is significantly more favorable with a uniform degradation than the previously known distribution according to the 7 with enhanced cell reversals at one end of the fuel cell stack 3.

BEZUGSZEICHENLISTE:LIST OF REFERENCE SYMBOLS:

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzelleFuel cell
33
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44
BefeuchterHumidifier
55
LadeluftkühlerIntercooler
66
MedienportMediaport
77
KühlmittelkanalCoolant channel
88th
BipolarplatteBipolar plate
99
FrischluftleitungFresh air line
1010
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
1111
Klappeflap
1212
BrennstoffleitungFuel line
1313
BrennstofftankFuel tank
1414
RezirkulationsleitungRecirculation line
1515
RandzelleBorder cell
1616
Verdichtercompressor

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen (2) gebildet ist, von denen mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle (2) eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel (3) angeordneten Brennstoffzellen (2) eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals (7) aufweist zur Beeinflussung der Durchströmung eines Kühlmittels, umfassend die Schritte: a) Messung der elektrischen Spannung jeder einzelnen Brennstoffzelle (2) des Brennstoffzellenstapels (3) und Erfassung der kumulierten Zeiten einer Zellumpolung mit einer elektrischen Spannung kleiner als Null Volt für jede der Brennstoffzellen (2), b) Beeinflussung eines Restwassergehaltes mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle (2, 15) bei einem Abstellvorgang durch Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals (7), c) bei Vorliegen von Froststartbedingungen bei einem Neustart, Beeinflussung der Durchströmung des Kühlmittelkanals (7) mindestens der an einem Rand angeordneten Brennstoffzelle (2, 15) derart, dass die in dem Schritt a) bestimmten Brennstoffzellen (2) mit einer größeren kumulierten Zeit der Zellumpolung weniger dem Risiko einer erneuten Zellumpolung ausgesetzt werden.Method for operating a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3) which is formed from a plurality of fuel cells (2), of which at least one fuel cell (2) arranged on an edge has a different structure of a coolant channel (7) compared to the fuel cells (2) arranged in the middle of the fuel cell stack (3) for influencing the flow of a coolant, comprising the steps: a) measuring the electrical voltage of each individual fuel cell (2) of the fuel cell stack (3) and recording the cumulative times of a cell polarity reversal with an electrical voltage of less than zero volts for each of the fuel cells (2), b) influencing a residual water content of at least the fuel cell (2, 15) arranged on an edge during a shutdown process by influencing the flow through the coolant channel (7), c) in the presence of frost start conditions during a restart, influencing the flow through the coolant channel (7) of at least the fuel cell (2, 15) arranged on an edge in such a way that the values determined in the step (a) certain fuel cells (2) with a longer cumulative time of cell reversal are less exposed to the risk of a further cell reversal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals (7) durch eine Verengung des Querschnitts am Eintritt gebildet ist, und über die Einstellung des Volumenstromes des Kühlmittels die Höhe des Restwassergehaltes beeinflusst wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the deviating structure of the coolant channel (7) is formed by a narrowing of the cross-section at the inlet, and the level of the residual water content is influenced by adjusting the volume flow of the coolant. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals (7) eine einstellbare Klappe (11) am Eintritt und/oder Austritt umfasst, und über die Klappeneinstellung der Volumenstrom des Kühlmittels die Höhe des Restwassergehaltes beeinflusst wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the deviating structure of the coolant channel (7) comprises an adjustable flap (11) at the inlet and/or outlet, and the level of the residual water content is influenced by the flap adjustment of the volume flow of the coolant. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen geringen Volumenstrom des Kühlmittels während des Schrittes b) weniger Wärme abgeführt und durch die höhere Temperatur mehr Restwasser ausgetragen wird.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that less heat is removed due to a low volume flow of the coolant during step b) and more residual water is removed due to the higher temperature. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Kühlmittels so groß gewählt wird, dass ein an der Verengung auftretender Druckabfall vernachlässigbar ist, so dass alle Brennstoffzellen (2) gleichmäßig mit Kühlmittel versorgt werden.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that the volume flow of the coolant is selected to be so large that a pressure drop occurring at the constriction is negligible, so that all fuel cells (2) are evenly supplied with coolant. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen (2) gebildet ist, von denen mindestens eine an einem Rand angeordnete Brennstoffzelle (2, 15) eine gegenüber den mittig im Brennstoffzellenstapel (3) angeordneten Brennstoffzellen (2) eine abweichende Struktur eines Kühlmittelkanals (7) aufweist, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3) which is formed from a plurality of fuel cells (2), of which at least one fuel cell (2, 15) arranged at an edge has a different structure of a coolant channel (7) compared to the fuel cells (2) arranged centrally in the fuel cell stack (3), and with a control device which is set up to carry out a method according to one of the Claims 1 until 5 . Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals (7) durch eine Verengung des Querschnitts am Eintritt gebildet ist.Fuel cell device (1) according to Claim 6 , characterized in that the deviating structure of the coolant channel (7) is formed by a narrowing of the cross-section at the inlet. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abweichende Struktur des Kühlmittelkanals (7) eine einstellbare Klappe (11) am Eintritt und/oder Austritt umfasst.Fuel cell device (1) according to Claim 6 or 7 , characterized in that the deviating structure of the coolant channel (7) comprises an adjustable flap (11) at the inlet and/or outlet. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to one of the Claims 6 until 8th .
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