DE102022207013A1 - Method for starting a fuel cell system - Google Patents

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Tobias Falkenau
Simon Buehler
Andreas Beiter
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Abstract

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Brennstoffzellensystems (1) einen Brennstoffzellenstack (101) eine Brennstoffleitung (20) zum Einleiten von Brennstoff aus einem Hochdrucktank (21) in einen Rezirkulationskreis (50) aufweist, wobei der Rezirkulationskreis (50) mit einem Anodeneingang (55) und einen Anodenausgang (56) verbunden ist. Beim Einleiten von Brennstoff in den Rezirkulationskreis (50) wird eine Strömung von Anodengas im Rezirkulationskreis (50) vom Anodenausgang (56) in Richtung des Anodeneinganges (55) durch ein Mittel zur Strömungsbeeinflussung (54) unterbrochen oder reduziert.Method for starting a fuel cell system (1), wherein the fuel cell system (1) has a fuel cell stack (101) a fuel line (20) for introducing fuel from a high-pressure tank (21) into a recirculation circuit (50), wherein the recirculation circuit (50) with an anode input (55) and an anode output (56). When fuel is introduced into the recirculation circuit (50), a flow of anode gas in the recirculation circuit (50) from the anode outlet (56) towards the anode inlet (55) is interrupted or reduced by a means for influencing the flow (54).

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention describes a method for starting a fuel cell system with the features of the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoff basierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen der Brennstoffzelle.Hydrogen-based fuel cell systems are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. Fuel cell systems require air and hydrogen for the chemical reaction within the cells of the fuel cell.

Die Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran an der Luft und Sauerstoff zu Strom, Wasser und Wärme umgesetzt wird. Mehrere solcher Brennstoffzellen werden in der praktischen Anwendung gestapelt, um die elektrisch erzeugte Spannung zu erhöhen.The fuel cell consists of an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air, and a polymer electrolyte membrane placed in between where air and oxygen are converted into electricity, water and heat. In practical use, several such fuel cells are stacked to increase the electrically generated voltage.

Zur Versorgung der Anode mit Wasserstoff hat sich ein Ansatz etabliert, bei dem das noch wasserstoffreiche Anodenabgas vom Anodenausgang mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff aus einer Brennstoffleitung wieder dem Anodeneingang zugeführt wird. Man spricht von Rezirkulation. Ein Maß für die Rezirkulation ist das Verhältnis aus dem Stack zugeführtem und dem durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Wasserstoff, dieses Verhältnis wird Lambda genannt.To supply the anode with hydrogen, an approach has been established in which the anode exhaust gas, which is still hydrogen-rich, is fed back to the anode inlet from the anode outlet using gas delivery units together with fresh hydrogen from a fuel line. This is called recirculation. A measure of recirculation is the ratio of the hydrogen supplied to the stack and the hydrogen consumed by the electrochemical reaction; this ratio is called lambda.

Lambda ist neben der Wasserstoffkonzentration eine essenzielle Kenngröße für den Stack. Ein ausreichend hohes Lambda stellt sicher, dass der Katalysator im Stack über den gesamten Strömungsbereich hinweg mit ausreichend Wasserstoff versorgt wird, denn durch Diffusionsprozesse gelangt auch Stickstoff auf die Anodenseite. Stickstoff stellt für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas dar.In addition to the hydrogen concentration, lambda is an essential parameter for the stack. A sufficiently high lambda ensures that the catalyst in the stack is supplied with sufficient hydrogen across the entire flow area, because nitrogen also reaches the anode side through diffusion processes. Nitrogen represents an inert gas for the electrochemical reaction that takes place in the fuel cell.

Durch die Rezirkulation reichert sich Stickstoff im Rezirkulationskreis an, so dass der Anode weniger Wasserstoff zugeführt werden kann. Entsprechend sinkt das Lambda, was zu einer Reduktion der Zellspannung führen kann. Wird die Zelle nicht mehr ausreichend mit Wasserstoff versorgt, kann dies zur Schädigung der Zellen führen.As a result of recirculation, nitrogen accumulates in the recirculation circuit, so that less hydrogen can be supplied to the anode. The lambda decreases accordingly, which can lead to a reduction in cell voltage. If the cell is no longer supplied with sufficient hydrogen, this can lead to damage to the cells.

Gerade nach einem längeren Stillstand akkumuliert sich Stickstoff im Rezirkulationskreis und der Anode, so dass vor einem Start des Brennstoffzellensystems zunächst durch Ausleiten des Anodengases über die Purgeleitung eine für den Start geeignete Wasserstoffkonzentration eingestellt werden muss. Dieser Vorgang ist langsam und verzögert den Start und reduziert damit die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems.Especially after a long standstill, nitrogen accumulates in the recirculation circuit and the anode, so that before starting the fuel cell system, a hydrogen concentration suitable for starting must first be set by discharging the anode gas via the purge line. This process is slow and delays start-up, thereby reducing the availability of the fuel cell system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.The subject of the invention is a method with the features of independent claim 1. Further features and details of the invention result from the respective subclaims, the description and the drawings.

Gemäß dem erfindungsmäßen Verfahren wird beim Starten des Brennstoffzellensystems während des Einleitens von Brennstoff aus der Brennstoffleitung in den Rezirkulationskreis eine Strömung des Anodengases vom Anodenausgang in Richtung des Anodeneinganges im Rezirkulationskreis durch ein Mittel zur Strömungsbeeinflussung unterbrochen oder reduziert.According to the method according to the invention, when starting the fuel cell system while introducing fuel from the fuel line into the recirculation circuit, a flow of the anode gas from the anode outlet towards the anode inlet in the recirculation circuit is interrupted or reduced by a means for influencing the flow.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu eine Betriebsstrategie zum Starten des Brennstoffzellensystems bereit zu stellen, welche sicherstellt, dass beim Start des Brennstoffzellensystems die Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang möglichst schnell erhöht wird. Des Weiteren wird durch das Verfahren während des Starts eine geringere Menge an Wasserstoff über das Purgeventil in die Abgasleitung ausgeleiten. Da weniger Wasserstoff ausgeleitet wird, führt dies zu einer Effizienzerhöhung der Brennstoffzellensystems.The method according to the invention serves to provide an operating strategy for starting the fuel cell system, which ensures that the hydrogen concentration at the anode inlet is increased as quickly as possible when starting the fuel cell system. Furthermore, the process allows a smaller amount of hydrogen to be discharged into the exhaust pipe via the purge valve during start-up. Since less hydrogen is released, this leads to an increase in the efficiency of the fuel cell system.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass eine zu hohe Wasserstoffkonzentration in der Abluftleitung vermieden wird. Eine zusätzliche Erhöhung des Luftmassenstromes über einen Verdichter in der Luftleitung ist nicht notwendig, wodurch ein energieoptimalerer Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht wird.The method according to the invention offers the advantage that an excessively high hydrogen concentration in the exhaust air line is avoided. An additional increase in the air mass flow via a compressor in the air line is not necessary, which enables more energy-optimal operation of the fuel cell system.

Unter einem Start des Brennstoffzellensystems werden im Rahmen der Erfindung auch ein Zustandsübergänge im Rahmen des Standby-Betriebes, von Start-Stopp-Vorgängen, bei einem Gefrierstart, bei einem Kaltstart oder bei weiteren speziellen Funktionen wie z.B. Regenerationsfunktionen verstanden. Wesentliche Voraussetzung des Stillstandes ist eine Unterbrechung der Zufuhr von Wasserstoff aus der Brennstoffleitung in den Rezirkulationskreis.In the context of the invention, a start of the fuel cell system also means a state transition in the context of standby operation, start-stop processes, a freeze start, a cold start or other special functions such as regeneration functions. The essential prerequisite for the standstill is an interruption in the supply of hydrogen from the fuel line into the recirculation circuit.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.Advantageous refinements and developments of the method according to the invention are specified in the dependent claims.

Es ist von Vorteil, wenn die Strömung des Anodengases vom Anodenausgang in Richtung des Anodeneinganges für eine vorgegebene Zeitdauer nach einem Stillstand des Brennstoffzellensystems unterbrochen oder reduziert wird. Die Zeitdauer kann hierbei so lange gewählt werden, bis die benötigten Schritte für einen Start des Brennstoffzellensystems abgeschlossen sind oder bis ein ausreichend hoher Luftmassenstrom im Abgaspfad hergestellt ist, um das Anodengas auch mit einem höheren Wasserstoffanteil ausreichend zu verdünnen.It is advantageous if the flow of the anode gas from the anode outlet in the direction of Anode input is interrupted or reduced for a predetermined period of time after the fuel cell system has stopped. The period of time can be chosen until the steps required to start the fuel cell system have been completed or until a sufficiently high air mass flow is established in the exhaust gas path in order to sufficiently dilute the anode gas with a higher hydrogen content.

Das Mittel zur Strömungsbeeinflussung ist auf vorteilhafte Weise im Rezirkulationskreis zwischen der Brennstoffleitung und dem Anodenausgang angeordnet, so dass durch das Mittel zur Strömungsbeeinflussung die Strömung zwischen der Brennstoffleitung und dem Anodeneingang kaum beeinflusst wird.The means for influencing the flow is advantageously arranged in the recirculation circuit between the fuel line and the anode outlet, so that the flow between the fuel line and the anode inlet is hardly influenced by the means for influencing the flow.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Mittel zur Strömungsbeeinflussung eine Pumpe ist, welche Druck in Richtung des Anodenausganges aufbaut. Hierbei ist ein Betrieb der Rezirkulationspumpe entgegen ihrer typischen Drehrichtung besonders vorteilhaft, da keine weiteren Bauteile, insbesondere eine zusätzliche Pumpe, in den Rezirkulationskreis eingebracht werden muss.It is particularly advantageous if the means for influencing the flow is a pump which builds up pressure in the direction of the anode outlet. Here, operating the recirculation pump against its typical direction of rotation is particularly advantageous, since no further components, in particular an additional pump, need to be introduced into the recirculation circuit.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Pumpe oder die Rezirkulationspumpe im Stillstand gehalten wird, da auf besonders kostengünstige und einfache Weise die Strömung von Anodengas in Richtung des Anodeneinganges aufgrund des Strömungswiederstandes der Pumpe oder Rezirkulationspumpe reduziert werden kann.A further advantage arises when the pump or the recirculation pump is kept at a standstill, since the flow of anode gas in the direction of the anode inlet can be reduced in a particularly cost-effective and simple manner due to the flow resistance of the pump or recirculation pump.

Es ist vorteilhaft, wenn das Mittel zur Strömungsbeeinflussung ein ansteuerbares Absperrventil, welches während des Startes des Brennstoffzellensystems geschlossen wird, oder ein mechanisches Rückschlagventil ist, so dass kein Anodengas vom Anodenausgang in Richtung des Anodeneinganges strömen kann.It is advantageous if the means for influencing the flow is a controllable shut-off valve, which is closed during the start of the fuel cell system, or a mechanical check valve, so that no anode gas can flow from the anode outlet towards the anode inlet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.The method according to the invention can be used in particular in fuel cell-operated motor vehicles. However, use in other fuel cell-operated means of transport, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or even in stationary fuel cell-operated objects is also conceivable.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine Messung, die die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis bei einem normalen Start darstellt und
  • 3 eine Messung, die die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis bei einem erfindungsgemäßen Start darstellt.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention,
  • 2 a measurement that represents the H2 concentration in the recirculation circuit at a normal start and
  • 3 a measurement that represents the H2 concentration in the recirculation circuit when starting according to the invention.

In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 100 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.In the 1 is a schematic topology of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the invention shown with at least one fuel cell stack 101. The at least one fuel cell system 100 has an air path 10, an exhaust line 12 and a fuel line 20. The at least one fuel cell stack 101 can be used for mobile applications with high power requirements, for example in trucks, or for stationary applications, for example in generators.

Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. In der Luftleitung 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt.The air path 10 serves as a supply air line to supply air from the environment to a cathode 105 of the fuel cell stack 101 via an inlet 16. Components which are required for the operation of the fuel cell stack 101 are arranged in the air path 10. An air compressor 11 and/or compressor 11 is arranged in the air line 10, which compresses or sucks in the air in accordance with the respective operating conditions of the fuel cell stack 101.

Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Befeuchter und/oder ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.Further components such as a humidifier and/or a filter and/or a heat exchanger and/or valves can be provided within the air path 10. Oxygen-containing air is provided to the fuel cell stack 101 via the air path 10.

Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der 1 nicht eingezeichnet.The fuel cell system 100 can further have a cooling circuit which is designed to cool the fuel cell stack 101. The cooling circuit is in the 1 not shown.

Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.In the inlet of the fuel line 20 there is a high-pressure tank 21 and a shut-off valve 22. Further components can be arranged in the fuel line 20 in order to supply an anode 103 of the fuel cell stack 101 with fuel as required.

Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die von der Kathodenseite durch die Zellmembranen auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren, werden über einen Anodenausgang 56 in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.In order to always supply the fuel cell stack 101 with sufficient fuel, there is a need for a superstoichiometric dosage of fuel via the fuel line 20. The excess fuel, as well as certain amounts of water and nitrogen, which diffuse from the cathode side through the cell membranes to the anode side of the fuel cell stack 101 , are returned via an anode outlet 56 to a recirculation circuit 50 and mixed with the metered fuel from the fuel line 20.

Der Rezirkulationskreis 50 ist mit der Brennstoffleitung 20 und dem Anodenausgang 56 verbunden. Durch einen Anodeneingang 55 strömt frischer Brennstoff, welcher aus dem Hochdrucktank 21 stammt, und Anodengas aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Anode 103. Über den Anodenausgang 56 verlässt überschüssiger Brennstoff, sowie gewisse Mengen an Stickstoff und Wasser, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundiert sind, die Anode 103. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff strömen im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems über den Rezirkulationskreis 50 in Richtung Anodeneingang 55.The recirculation circuit 50 is connected to the fuel line 20 and the anode outlet 56. Fresh fuel, which comes from the high-pressure tank 21, and anode gas from the recirculation circuit 50 flow into the anode 103 through an anode inlet 55. Excess fuel leaves via the anode outlet 56, as well as certain amounts of nitrogen and water, which diffuse through the cell membranes onto the anode side are, the anode 103. During normal operation of the fuel cell system, the excess fuel, as well as certain amounts of water and nitrogen, flow via the recirculation circuit 50 towards the anode inlet 55.

Als Anodengas wird im Rahmen der Erfindung, das Gasgemisch im Rezirkulationskreis verstanden, welches Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aufweisen kann, aber auch in geringen andere Bestandteile aufweisen kann.In the context of the invention, anode gas is understood to mean the gas mixture in the recirculation circuit, which can contain hydrogen, nitrogen and water, but can also contain small amounts of other components.

Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich.To drive the flow in the recirculation circuit 50, various components can be installed, such as a jet pump 51 operated with the metered fuel or a recirculation pump 52. A combination of jet pump 51 and recirculation pump 52 is also possible.

Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit im Rezirkulationskreis 50 immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, so dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Stickstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 50 nicht abnimmt.Since the amount of water and nitrogen continues to increase over time in the recirculation circuit 50, the recirculation circuit 50 must be flushed from time to time so that the performance of the fuel cell stack 101 does not decrease due to an excessive nitrogen concentration in the recirculation line 50.

Es ist eine Purgeleitung 40 zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und einer Abgasleitung 12 angeordnet, so dass das Anodengas aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann.A purge line 40 is arranged between the recirculation circuit 50 and an exhaust gas line 12, so that the anode gas can flow from the recirculation circuit 50 into the exhaust gas line 12.

In der Purgeleitung 40 ist ein Purgeventil 41 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purgeventil 41 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Anodengas über die Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird.A purge valve 41 is arranged in the purge line 40, which can open and close the connection between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12. The purge valve 41 is usually opened for a short time so that the anode gas is passed into the exhaust line 12 via the purge line 40.

Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren kann über die Purgeleitung 40 Anodengas, welches Bestandteile von Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aufweisen kann, in die Abgasleitung 12 gelangen.The exhaust pipe 12 serves to transport exhaust gas into the environment via an outlet 18. The exhaust gas has a gas mixture with components of the air from the air path 10 and water. The exhaust gas from the exhaust line 12 can also contain hydrogen because parts of the hydrogen from the fuel line 20 can diffuse through the membrane of the fuel cell stack 101. Furthermore, anode gas, which may contain components of hydrogen, nitrogen and water, can reach the exhaust line 12 via the purge line 40.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 100 wird beim Einleiten von Brennstoff in den Rezirkulationskreis 50 eine Strömung des Anodengases vom Anodenausgang 56 in Richtung des Anodeneinganges 55 im Rezirkulationskreis 50 durch ein Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 unterbrochen oder reduziert.According to the method according to the invention for starting the fuel cell system 100, when fuel is introduced into the recirculation circuit 50, a flow of the anode gas from the anode outlet 56 towards the anode inlet 55 in the recirculation circuit 50 is interrupted or reduced by a means for influencing the flow 54.

Auf diese Weise kann beim Start des Brennstoffzellensystems 100 die Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang 54 möglichst schnell erhöht werden ohne Anodengas aus dem Rezirkulationskreis 50 auszuleiten.In this way, when starting the fuel cell system 100, the hydrogen concentration at the anode inlet 54 can be increased as quickly as possible without removing anode gas from the recirculation circuit 50.

Während frischer Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 in Richtung des Anodeneinganges 55 strömt, wird die Strömung des Anodengases vom Anodenausgang 56 in Richtung des Anodeneinganges 55 für eine vorgegebene Zeitdauer unterbrochen oder reduziert. Auf diese Weise ist die Konzentration von Wasserstoff am Anodeneingang 55 höher, da weniger Anodengas mit niedriger Wasserstoffkonzentration zum Anodeneingang 55 strömen kann.While fresh fuel flows from the fuel line 20 toward the anode inlet 55, the flow of anode gas from the anode outlet 56 toward the anode inlet 55 is interrupted or reduced for a predetermined period of time. In this way, the concentration of hydrogen at the anode entrance 55 is higher because less anode gas with a low hydrogen concentration can flow to the anode entrance 55.

Ein Start des Brennstoffzellensystems 100 erfolgt nach einem Stillstand des Brennstoffzellensystems 100, bei dem kein Brennstoff über die Brennstoffleitung 20 eingeleitet wurde.The fuel cell system 100 is started after the fuel cell system 100 has come to a standstill, during which no fuel has been introduced via the fuel line 20.

Das Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 ist im Rezirkulationskreis 50 zwischen der Brennstoffleitung 20 und dem Anodenausgang 56 angeordnet.The means for influencing the flow 54 is arranged in the recirculation circuit 50 between the fuel line 20 and the anode outlet 56.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann das Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 eine Pumpe sein. Diese Pumpe kann auch die bereits im Rezirkulationskreis 50 vorhandene Rezirkulationspumpe 52 sein.According to a first embodiment of the invention, the means for influencing flow 54 can be a pump. This pump can also be the recirculation pump 52 already present in the recirculation circuit 50.

Die Pumpe kann dabei so betrieben werden, dass das Anodengas in Richtung des Anodenauslasses 56 strömt bzw. Druck aufbaut. Ist die Pumpe als Rezirkulationspumpe 52 ausgebildet, so wird die Rezirkulationspumpe 52 entgegen ihrer typischen Drehrichtung betrieben, wobei die typische Drehrichtung der Drehrichtung im normalen Betrieb entspricht.The pump can be operated in such a way that the anode gas flows in the direction of the anode outlet 56 or builds up pressure. If the pump is designed as a recirculation pump 52, the recirculation pump 52 is operated counter to its typical direction of rotation, the typical direction of rotation corresponding to the direction of rotation in normal operation.

In einer alternativen Ausführungsform wird die Pumpe oder die Rezirkulationspumpe 52 in Stillstand gehalten.In an alternative embodiment, the pump or recirculation pump 52 is kept at a standstill.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 ein ansteuerbares Absperrventil oder ein mechanisches Rückschlagventil, welches zur Unterbrechung der Strömung in Richtung des Anodenausganges 56 geschlossen wird.According to a second exemplary embodiment, the means for influencing flow 54 is a controllable shut-off valve or a mechanical one Check valve, which is closed to interrupt the flow in the direction of the anode outlet 56.

In 2 wird eine Messung des zeitlichen Verlaufs der Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang 55 (Anode_In), am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) nach einem Start des Brennstoffzellensystems 100, welcher nicht dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht, dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 befindet sich kein Wasserstoff oder nur eine geringe Menge an Wasserstoff im Rezirkulationskreis 50. Es wird gemäß dem Stand der Technik das Rezirkulationsgebläse 52 gestartet und ein gewünschter Anodendruck durch das Einbringen von Wasserstoff aus der Brennstoffleitung 20 eingestellt. Über das Purgeventil 41 wird anschließend durch Ausblasen des Anodengases die Wasserstoffkonzentration weiter erhöht, bis diese hoch genug ist, so dass die nächsten Schritte des Starts ausgeführt werden können. Durch das Rezirkulationsgebläse 52 vermischt sich der zugeführte Wasserstoff mit dem in der Anode 103 und im Rezirkulationskreis 50 bereits vorhanden Anodengas. Die Konzentration steigt gleichmäßig am Anodeneingang 55 (Anode_In), am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) wie aus hervorgeht.In 2 a measurement of the time profile of the hydrogen concentration at the anode input 55 (Anode_In), at the anode output 56 (Anode_out) and at the recirculation fan (ARB_ln) after a start of the fuel cell system 100, which does not correspond to the method according to the invention, is shown. At time 0 there is no hydrogen or only a small amount of hydrogen in the recirculation circuit 50. According to the prior art, the recirculation blower 52 is started and a desired anode pressure is set by introducing hydrogen from the fuel line 20. The hydrogen concentration is then further increased via the purge valve 41 by blowing out the anode gas until it is high enough so that the next steps of the start can be carried out. Through the recirculation blower 52, the supplied hydrogen mixes with the anode gas already present in the anode 103 and in the recirculation circuit 50. The concentration increases evenly at the anode input 55 (Anode_In), at the anode output 56 (Anode_out) and at the recirculation fan (ARB_ln). emerges.

In 3 wird eine Messung des zeitliche Verlauf der Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang 55 (Anode_In), am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) nach einem Start des Brennstoffzellensystems 100, welcher dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht, dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 befindet sich kein Wasserstoff oder nur eine geringe Menge an Wasserstoff im Rezirkulationskreis 50. Es wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Start Wasserstoff aus der Brennstoffleitung 20 eingebracht ohne, dass das Rezirkulationsgebläse 52 an ist, bzw. während dieses leicht rückwärts läuft. Die Wasserstoffkonzentration steigt sehr stark am Anodeneinlass (Anode_In) 55, während die Wasserstoffkonzentration am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) langsamer ansteigt. Während des Startes ist die Verteilung des Wasserstoffs inhomogen über den Rezirkluationskreis 50 verteilt. Auf diese Weise wird bei einem geöffneten Purgeventil 41 mehr Stickstoff bzw. weniger Wasserstoff in gleicher Zeit ausgeblasen als im Fall, in dem das Rezirkulationsgebläse 52 von Anfang an im Normalbetrieb ist.In 3 a measurement of the time course of the hydrogen concentration at the anode input 55 (Anode_In), at the anode output 56 (Anode_out) and at the recirculation fan (ARB_ln) after a start of the fuel cell system 100, which corresponds to the method according to the invention, is shown. At time 0 there is no hydrogen or only a small amount of hydrogen in the recirculation circuit 50. According to the method according to the invention, hydrogen is introduced from the fuel line 20 at the start without the recirculation fan 52 being on or while it is running slightly backwards. The hydrogen concentration increases very sharply at the anode inlet (Anode_In) 55, while the hydrogen concentration at the anode outlet 56 (Anode_out) and at the recirculation fan (ARB_ln) increases more slowly. During the start, the distribution of the hydrogen is inhomogeneously distributed across the recirculation circuit 50. In this way, when the purge valve 41 is open, more nitrogen or less hydrogen is blown out in the same time than in the case in which the recirculation blower 52 is in normal operation from the start.

Claims (10)

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystems (100) einen Brennstoffzellenstack (101) eine Brennstoffleitung (20) zum Einleiten von Brennstoff aus einem Hochdrucktank (21) in einen Rezirkulationskreis (50) aufweist, wobei der Rezirkulationskreis (50) mit einem Anodeneingang (55) und einen Anodenausgang (56) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einleiten von Brennstoff aus der Brennstoffleitung (20) in den Rezirkulationskreis (50) eine Strömung des Anodengases vom Anodenausgang (56) in Richtung des Anodeneinganges (55) im Rezirkulationskreis (50) durch ein Mittel zur Strömungsbeeinflussung (54) unterbrochen oder reduziert wird.Method for starting a fuel cell system (100), wherein the fuel cell system (100) has a fuel cell stack (101), a fuel line (20) for introducing fuel from a high-pressure tank (21) into a recirculation circuit (50), the recirculation circuit (50). an anode inlet (55) and an anode outlet (56), characterized in that when fuel is introduced from the fuel line (20) into the recirculation circuit (50), a flow of the anode gas from the anode outlet (56) in the direction of the anode inlet (55) is interrupted or reduced in the recirculation circuit (50) by a means for influencing the flow (54). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Anodengases vom Anodenausgang (56) in Richtung des Anodeneinganges (55) für eine vorgegebene Zeitdauer nach einem Stillstand des Brennstoffzellensystems (100) unterbrochen oder reduziert wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the flow of the anode gas from the anode outlet (56) towards the anode inlet (55) is interrupted or reduced for a predetermined period of time after the fuel cell system (100) has come to a standstill. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Stillstandes kein Brennstoff über die Brennstoffleitung (20) in den Rezirkulationskreis (50) eingeleitet wurde.Procedure according to Claim 1 , characterized in that no fuel was introduced into the recirculation circuit (50) via the fuel line (20) during the standstill. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsbeeinflussung (54) im Rezirlulationskreis (50) zwischen der Brennstoffleitung (20) und dem Anodenausgang (56) angeordnet ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the means for influencing the flow (54) is arranged in the recirculation circuit (50) between the fuel line (20) and the anode outlet (56). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsbeeinflussung (54) eine Pumpe, insbesondere eine Rezirkulationspumpe (52), ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the means for influencing flow (54) is a pump, in particular a recirculation pump (52). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe, insbesondere die Rezirkulationspumpe (52), so betrieben wird, dass Anodengas in Richtung des Anodenauslasses (56) strömt bzw. Druck vor dem Anodenauslass (56) aufgebaut wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the pump, in particular the recirculation pump (52), is operated in such a way that anode gas flows in the direction of the anode outlet (56) or pressure is built up in front of the anode outlet (56). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationspumpe (52) entgegen ihrer typischen Drehrichtung betrieben wird, wobei die typische Drehrichtung der Drehrichtung im normalen Betrieb entspricht.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the recirculation pump (52) is operated counter to its typical direction of rotation, the typical direction of rotation corresponding to the direction of rotation in normal operation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe, insbesondere die Rezirkulationspumpe (52), im Stillstand gehalten wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the pump, in particular the recirculation pump (52), is kept at a standstill. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsbeeinflussung (54) ein ansteuerbares Absperrventil oder ein Rückschlagventil ist.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 characterized in that the means for influencing flow (54) is a controllable shut-off valve or a check valve. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil geschlossen wird.Procedure according to Claim 9 , characterized in that the shut-off valve is closed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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